WO2023008848A1 - 고압 기체 충전시스템 및 이를 이용한 고압 기체 충전방법 - Google Patents

고압 기체 충전시스템 및 이를 이용한 고압 기체 충전방법 Download PDF

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WO2023008848A1
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pressure gas
container
filling
fluid
pressure
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김대환
조규백
배승훈
박태국
조대원
김선민
김재형
이상혁
김상교
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한국기계연구원
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the present invention relates to a high-pressure gas filling system and a high-pressure gas filling method using the same, and more particularly, when a high-pressure gas such as hydrogen is charged in a filling container, the high-pressure gas is compressed inside the filling container during the high-pressure gas filling process.
  • the present invention relates to a high-pressure gas filling system that can omit a separate cooling device by preventing a temperature increase by preventing a separate cooling device, minimizes separate facilities, and can improve stable high-pressure gas charging and charging speed, and a high-pressure gas charging method using the same.
  • hydrogen is pre-charged in a charging container, and the hydrogen in the charged container is provided to a hydrogen vehicle. should be charged in
  • an object of the present invention is to minimize the temperature rise due to the compression of the high-pressure gas inside the charging container or prevent the temperature rise phenomenon in the charging process of high-pressure gas such as hydrogen. It is to provide a high-pressure gas filling system capable of simplifying system design by omitting a cooling device and improving stable high-pressure gas filling and charging speed.
  • Another object of the present invention is to provide a high-pressure gas filling method using the high-pressure gas filling system.
  • a high-pressure gas filling system includes a filling container, a fluid supply unit, and a high-pressure gas charging unit.
  • High-pressure gas is filled in the filling container.
  • the fluid providing unit is connected to one side of the filling container, and supplies an incompressible fluid into the filling container before filling the high-pressure gas.
  • the high-pressure gas filling unit is connected to the other side of the filling container and fills the high-pressure gas into the filling container provided with the incompressible fluid.
  • the incompressible fluid is provided until the internal pressure of the filling container reaches a predetermined pressure, and is removed to the outside through the fluid supply unit as the high-pressure gas is filled.
  • both the pressure of the high-pressure gas filled in the filling container and the pressure of the incompressible fluid remaining in the filling container may maintain the preset pressure.
  • the temperature of the incompressible fluid previously provided to the filling container may be equal to or lower than the temperature of the high-pressure gas filled in the filling container. Thus, the temperature of the charging container can be lowered.
  • the fluid supply unit may include an external supply line for receiving the incompressible fluid from the outside, and an internal supply line connected to the external supply line and extending into a lower space of the filling container.
  • the inner providing line may extend so that its end comes into contact with the lower surface of the charging container or may extend toward the lower surface of the charging container.
  • the charging container is disposed to be inclined at a predetermined angle with respect to the ground, and the inner supply line may extend toward the lower surface of the inclined charging container.
  • the high-pressure gas filling unit may include an external charging line receiving the high-pressure gas from the outside, and an upper supply line connected to the external charging line and extending into an upper space of the filling container.
  • the high-pressure gas filling unit supplies the high-pressure gas filled in the filling container to the outside through the operation of a valve, and on the high-pressure gas filling unit, a water separator for removing the incompressible fluid contained in the high-pressure gas may be provided.
  • an incompressible fluid is provided into the filling container through a fluid supply unit connected to one side of the filling container. It is determined whether the pressure of the filling container reaches a preset pressure. When the pressure of the filling container reaches the preset pressure, the high-pressure gas is filled into the filling container through the high-pressure gas filling part connected to the other side of the filling container, and the incompressible fluid is discharged as the high-pressure gas is filled. It is removed to the outside through the fluid supply unit. In this case, the high-pressure gas is charged into the filling container and the incompressible fluid is removed to the outside until the high-pressure gas is buffered.
  • both the pressure of the high-pressure gas filled in the filling container and the pressure of the incompressible fluid remaining in the filling container are the preset pressures. can keep Thus, expansion or compression of the high-pressure gas can be prevented.
  • a high-pressure gas filling system includes a gas supply container, a fluid storage container, and a filling container.
  • the gas supply container stores high-pressure gas.
  • the fluid storage container is connected to the gas supply container and stores an incompressible fluid.
  • the filling container is connected to the upper and lower portions of the fluid storage container, respectively, and is filled with the high-pressure gas.
  • the high-pressure gas stored in the gas supply container is provided to the fluid storage container
  • the incompressible fluid stored in the fluid storage container is provided to the filling container
  • the incompressible fluid provided to the filling container is supplied to the fluid storage container. While being provided again, the high-pressure gas in the fluid storage container is filled into the filling container.
  • the filling container may be located above the fluid storage container.
  • the incompressible fluid in the filling container may be provided back to the fluid storage container by hydrostatic pressure generated by gravity.
  • the temperature of the high-pressure gas provided to the fluid storage container and the incompressible fluid provided to the fluid storage container may maintain a predetermined temperature.
  • a second pipe, and a third pipe connected between the lower part of the fluid storage container and the filling container, and having a third valve may be further included.
  • the high-pressure gas stored in the gas supply container flows along the first pipe to the fluid It is provided as a storage container, and the incompressible fluid stored in the fluid storage container may be supplied to the filling container along the third pipe.
  • the incompressible fluid provided to the filling container flows along the third pipe. While being supplied back to the storage container, the high-pressure gas in the fluid storage container may be charged into the filling container along the second pipe.
  • the charging container filled with the high-pressure gas may be embedded in external mobility, detached and mounted in external mobility, or connected to a charging terminal extending from external mobility.
  • high-pressure gas is injected from a gas supply container into a fluid storage container.
  • the incompressible fluid stored in the fluid storage container is supplied to the filling container.
  • the incompressible fluid is supplied from the filling container to the fluid storage container again.
  • the high-pressure gas injected into the fluid storage container is charged into the filling container.
  • the incompressible fluid of the filling container is transferred to the fluid storage container by hydrostatic pressure.
  • the step of injecting the high-pressure gas into the fluid storage container by opening a first valve connected between the gas supply container and the fluid storage container, and increasing the pressure of the high-pressure gas through a compressor, Providing the high-pressure gas stored in the gas supply container to the fluid storage container;
  • the second valve connected between the upper part of the fluid storage container and the upper part of the filling container is closed, and the lower part of the fluid storage container and the filling container are closed.
  • the third valve connected between the bottom of the container is opened, and the incompressible fluid is provided to the filling container by the pressure of the high-pressure gas supplied to the fluid storage container,
  • the first valve is closed and the second valve is opened, so that the incompressible fluid flows into the lower part of the filling container. is filled into the fluid storage container through the lower portion of the fluid storage container, and thus the high-pressure gas may be filled into the filling container from the upper portion of the fluid storage container through the upper portion of the filling container.
  • the incompressible fluid by providing the incompressible fluid to the filling container in advance, when the incompressible fluid is provided to the filling container and the pressure in the remaining space is maintained at a preset pressure suitable for filling the high-pressure gas, Since the high-pressure gas is started to be filled in the filling container, and the incompressible fluid filled with the high-pressure gas is removed to the outside, the internal pressure of the filling container is continuously maintained at a predetermined pressure during the filling process of the high-pressure gas.
  • the internal pressure of the filling container may be maintained constant until the high-pressure gas is completely filled in the filling container and the incompressible fluid is sufficiently removed to the outside.
  • the internal pressure of the charging container is maintained at a predetermined pressure suitable for high-pressure gas filling, the compression phenomenon of the high-pressure gas does not occur during the charging process of the high-pressure gas, and a separate A high-pressure gas cooling device or the like can be omitted.
  • charging can be performed by maintaining the temperature of the high-pressure gas to be charged at a required temperature.
  • the temperature of the incompressible fluid is also equal to the temperature of the high-pressure gas. Since it is maintained at the same or lower temperature, the temperature of the charging container can be kept low without a separate cooling device or temperature control device for temperature control or cooling of the high-pressure gas.
  • the incompressible fluid when the incompressible fluid is selected as a material that does not affect the durability of a device using high-pressure gas, even if the incompressible fluid is not sufficiently removed from the filling container and remains, a vehicle using high-pressure gas as fuel Since no problem occurs even if the incompressible fluid remaining with the gas is provided, there is no design difficulty in completely removing the incompressible fluid.
  • a water separator may be provided at the outlet of the high-pressure gas, so that problems due to mixing of the incompressible fluid and the high-pressure gas can be prevented.
  • the pressure of the high-pressure gas is increased through a compressor and provided only to the fluid storage container in which the incompressible fluid is stored. can do.
  • the temperature inside the filling container rises due to the heat generated in the filling process. Since the high-pressure gas is charged while discharging, it is possible to minimize the heat generated inside the charging container during the charging process, enabling more effective and stable high-pressure gas charging.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a high-pressure gas charging system in the prior art.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a high-pressure gas filling system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a high-pressure gas filling system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a high-pressure gas filling system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a high-pressure gas charging method using the high-pressure gas charging system of FIG. 2 .
  • 6A to 6D are schematic diagrams showing states of the high-pressure gas charging system according to the high-pressure gas charging method of FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a high-pressure gas filling system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a high-pressure gas charging method using the high-pressure gas charging system of FIG. 7 .
  • 9A to 9D are schematic diagrams illustrating each step of the high-pressure gas filling method of FIG. 8 .
  • FIG. 10A is an example showing a state in which high-pressure gas is used in the filling container in the high-pressure gas charging method of FIG. 8
  • FIG. 10B is another example showing a state in which the high-pressure gas is used in the filling container.
  • 300, 301, 302 fluid supply unit 305: incompressible fluid
  • compressor 1200 gas supply container
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a high-pressure gas charging system in the prior art.
  • a high-pressure gas filling line 3 is connected to one side of a filling container 2 in which high-pressure gas is filled, and the high-pressure gas filling line ( Through 3), high-pressure gas is supplied to the inside of the charging container 2.
  • the high-pressure gas may be hydrogen, for example. This is the same in the embodiments of the present invention described below.
  • the inside of the charging container 2 is set to 80 ° C or higher. It rises, and this temperature rise may reach a temperature limited for stable operation of the charging container 2.
  • the enthalpy (H i ) of the high-pressure gas filling line 3 as the high-pressure gas is supplied through the high-pressure gas filling line 3 is It can be said to be the same as the internal energy (U t ) of the charging container (2).
  • the high-pressure gas in addition to the internal energy (U i ) it has, predetermined work from the external high-pressure gas supply device (P i V i , P i is the high-pressure gas supply pressure, V i is the charge volume of the container).
  • the high-pressure gas charging system was designed so that the work required in the charging process of the high-pressure gas does not change into heat so that the temperature inside the charging container does not rise. It will be described in detail with reference to the drawings.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a high-pressure gas filling system according to an embodiment of the present invention.
  • the high-pressure gas filling system 10 includes a filling container 100, a sensor unit 200, a fluid supply unit 300, and a high-pressure gas charging unit 400.
  • the filling container 100 corresponds to a storage container filled with a high-pressure gas described below or a filling container installed in a high-pressure gas vehicle, and may be formed in various shapes having a predetermined volume.
  • the fluid supply unit 300 is connected to one side of the filling container 100, and provides incompressible fluid to the inside of the filling container 100, or transfers the incompressible fluid from the inside of the filling container 100 to the outside. Remove.
  • the incompressible fluid is a fluid whose density hardly changes even when the pressure or flow rate is changed, and water, which does not significantly affect the performance of the hydrogen fuel cell, can be used as a representative incompressible fluid.
  • the fluid supply unit 300 includes an external supply line 310 and an internal supply line 320, and the external supply line 310 is connected to an external incompressible fluid storage unit (not shown), The incompressible fluid is transferred to the filling container 100.
  • the internal supply line 320 extends from the external supply line 310 and extends toward the inner space of the filling container 100, that is, the lower space 101, and transported through the external supply line 310.
  • the incompressible fluid is supplied to the lower space 101 along the inner supply line 320 .
  • the incompressible fluid stored in the filling container 100 is removed to the outside, the incompressible fluid is primarily moved through the internal supply line 320 and then removed to the outside through the external supply line 310. It can be.
  • the end portion 321 of the internal supply line 320 may be formed to extend to contact the bottom surface of the charging container 100.
  • the incompressible fluid remaining in the filling container 100 can be minimized.
  • the high-pressure gas filling unit 400 is connected to the other side of the charging container 100 and supplies high-pressure gas into the charging container 100 to fill the inside of the charging container 100 with the high-pressure gas.
  • the connection position of the high-pressure gas filling part 400 can be variously changed.
  • the high-pressure gas charging unit 400 includes an external charging line 410 and an internal charging line 420, and the external charging line 410 is connected to an external high-pressure gas storage unit (not shown), The high-pressure gas is transferred to the filling container 100.
  • the internal charging line 420 extends from the external charging line 410 and extends toward the inner space of the charging container 100, that is, the upper space 102, and transported through the external charging line 410. High-pressure gas is supplied to the upper space 102 along the inner filling line 420 .
  • the internal charging line 420 may extend in a direction parallel to the upper surface of the charging container 100 similarly to the internal providing line 320, and the extending direction of the internal charging line 420 is As long as it faces the upper space 102, it may be varied in various ways.
  • the inner supply line 320 is the bottom surface of the filling container 100. It is located inside the charging container 100 so as to be close to.
  • the inner filling line 420 is connected to the filling container 100. ) Is located inside the charging container 100 so as to be close to the upper surface of the.
  • the sensor unit 200 senses the state of the filling container 100, the supply state of the incompressible fluid, the filling state of the high-pressure gas, and the like, for example, a temperature sensor 210, a water level sensor 220, a pressure sensor 230 and a flow sensor 240 may be included.
  • the temperature sensor 210 senses the temperature inside the filling container 100, and when the inside of the filling container 100 is filled with the incompressible fluid, the temperature of the incompressible fluid can be measured, and the charging container 100 can measure the temperature. When the high-pressure gas is filled in the container 100, the temperature of the high-pressure gas may be measured. Of course, the temperatures of the incompressible fluid and the high-pressure gas may be individually measured.
  • the temperature of the high-pressure gas is kept constant in the process of filling the filling container 100, the temperature of the incompressible fluid is maintained the same as the temperature of the high-pressure gas
  • the temperature of the high-pressure gas may be reduced by maintaining the temperature of the high-pressure gas constant or by maintaining the temperature of the incompressible fluid lower than the temperature of the high-pressure gas.
  • the temperature of the high-pressure gas is, for example, about 30°C. , Or it can be maintained at room temperature and supplied, and accordingly, the incompressible fluid can also be maintained at about 30 ° C. or room temperature and provided.
  • the temperature of the high-pressure gas to be charged may be maintained relatively lower, and accordingly, the temperature of the provided incompressible fluid may be maintained and provided lower.
  • the temperature of the high-pressure gas is provided at a temperature lower than room temperature, there is an advantage in that the same mass of high-pressure gas can be supplied to the filling container 100 even if the high-pressure gas is filled with a lower supply pressure.
  • the incompressible fluid is, for example, water
  • the water level sensor 220 senses the level of the incompressible fluid filled in the filling container 100 .
  • the flow rate of the fluid filled in the filling container 100 can be measured, and furthermore, the supply of the fluid is controlled so that the level of the incompressible fluid does not increase to the level where the internal filling line 420 is located. You can control it.
  • the same sensing result of the water level sensor 220 may be obtained through the flow sensor 240 . That is, the flow sensor 240 may be provided on the fluid providing unit 300 , and through this, the flow rate of the incompressible fluid flowing through the fluid providing unit 300 is measured.
  • information on the amount of fluid supplied to the inside of the filling container 100 can be obtained, and information on the amount of fluid removed from the filling container 100 to the outside can also be obtained. Information on the amount of incompressible fluid remaining inside the filling container 100 is acquired.
  • the flow sensor 240 can obtain substantially the same results as the water level sensor 220, and only one of the water level sensor 220 and the flow sensor 240 can be provided, Otherwise, all may be provided.
  • the pressure sensor 230 senses the pressure inside the filling container 100, and as the incompressible fluid is provided into the filling container 100, a space other than the space occupied by the incompressible fluid, that is, a high pressure Measure the pressure in the space where the gas will be filled.
  • the pressure of the filling container 100 may be about 5 bar. However, in order to fill the high-pressure gas in the filling container 100, it may be necessary to maintain the pressure of the filling container 100 at about 700 bar.
  • the internal pressure of the filling container 100 is required for filling the high-pressure gas, that is, It is necessary to reach a preset pressure.
  • the high-pressure gas filling unit 400 not only fills the high-pressure gas into the charging container 100 as described above, but also selectively opens an outlet line through a three-way valve,
  • the high-pressure gas charged in the filling container 100 may be supplied to the outside.
  • the charging line can be opened to charge the high-pressure gas into the charging container 100, and the high-pressure gas filled in the charging container 100 can be discharged to the outside by opening the outflow line.
  • the outflow line can also be supplied with
  • the inner space of the filling container 100 is filled with high-pressure gas while the incompressible fluid is removed to the outside, and a part of the incompressible fluid may remain in the inner space even when the high-pressure gas is completely filled. there is.
  • the incompressible fluid may be mixed with the high-pressure gas and supplied. Accordingly, a water separator 500 may be provided on the high-pressure gas filling unit 400 .
  • the incompressible fluid when included in the high-pressure gas discharged to the outside, the incompressible fluid can be removed through the steam separator 500, and accordingly, only the high-pressure gas with higher purity can be supplied to the outside.
  • the high-pressure gas filling unit 400 only performs high-pressure gas filling, and when a separate high-pressure gas outlet line is connected to the filling container 100 to discharge the high-pressure gas to the outside, the high-pressure gas is discharged. Effluent may also be carried out through an effluent line. In this case, the steam separator 500 may be provided on the separately formed high-pressure gas outlet line.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a high-pressure gas filling system according to another embodiment of the present invention.
  • the high-pressure gas filling system 20 In the case of the high-pressure gas filling system 20 according to this embodiment, the high-pressure gas filling system 10 described with reference to FIG. Since they are substantially the same, the same reference numerals are used for the same elements, and overlapping descriptions are omitted.
  • the end portion 331 of the internal supply line 330 included in the fluid supply unit 301 is the filling container. It extends toward the bottom of (100).
  • the incompressible fluid is removed from the filling container 100, especially when the level of the incompressible fluid to be removed is very low, the incompressible fluid is not sufficiently removed according to the height of the tip 321 and the filling container It is likely to remain at the bottom of (100).
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a high-pressure gas filling system according to another embodiment of the present invention.
  • the charging container 100 may be positioned to be inclined at a predetermined angle ⁇ with respect to the ground.
  • the filling container 100 is positioned so as to be inclined by a predetermined angle, when the incompressible fluid is removed from the filling container 100, especially when the level of the incompressible fluid to be removed is very low, the incompressible fluid 4, it is highly likely to remain on the right bottom portion of the charging container 100.
  • the internal supply line 340 of the fluid supply unit 302 is formed to extend in a direction toward the right bottom surface of the filling container 100, while the length of the internal supply line 340 is relatively short, , it is possible to effectively remove the incompressible fluid of the filling container 100 to the outside.
  • the amount of incompressible fluid remaining in the filling container 100 can be minimized.
  • the charging container 100 may be inclined at a predetermined angle ⁇ as shown in FIG. 4 only when the incompressible fluid is removed to the outside.
  • a separate variable structure (not shown) for changing the posture of the charging container 100 may be additionally provided.
  • the high-pressure gas charging method using the high-pressure gas charging system 20 of FIG. 3 and the high-pressure gas charging method using the high-pressure gas charging system 30 of FIG. 4 substantially use the high-pressure gas charging system 10 of FIG. Since it is the same as the high-pressure gas filling method, overlapping descriptions are omitted.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a high-pressure gas charging method using the high-pressure gas charging system of FIG. 2 .
  • 6A to 6D are schematic diagrams showing states of the high-pressure gas charging system according to the high-pressure gas charging method of FIG. 5 .
  • an incompressible fluid ( 305) is provided (step S10).
  • the incompressible fluid 305 provided to the filling container 100 is provided toward the lower space 101 of the filling container 100, and the water level increases from the lower space 101 of the filling container 100, and the The filling container 100 is filled.
  • the internal pressure in the initial state may be about 5 bar, and as the incompressible fluid 305 is filled, the pressure inside the filling container 100 (P 1 ) will increase
  • step S20 by determining whether or not the internal pressure (P 1 ) of the charging container 100 reaches a predetermined pressure, for example, 700 bar (step S20), the charging container The incompressible fluid 305 is filled into the filling container 100 until the pressure P 1 inside the 100 reaches the preset pressure.
  • a predetermined pressure for example, 700 bar
  • the pressure P 1 of the inner space (the space remaining after the fluid is filled) of the filling container 100 increases, and , When a predetermined pressure finally reaches, for example, 700 bar, the supply of the incompressible fluid 305 is stopped.
  • the water level or supply amount of the incompressible fluid supplied to the inside of the filling container 100 is sensed through the water level sensor 220 and the flow sensor 240, and similarly, the pressure sensor 230 and The pressure and temperature inside the charging container 100 are sensed through the temperature sensor 210 .
  • the high-pressure gas 405 is charged into the charging container 100 through the high-pressure gas charging unit 400 connected to the charging container 100 (step S30).
  • the incompressible fluid 305 already filled in the filling container 100 is discharged to the outside through the fluid supply unit 300. is removed, and accordingly, the level of the incompressible fluid 305 in the filling container 100 is also lowered.
  • the fluid supply unit 300 is maintained in an open state so that the incompressible fluid 305 can be removed to the outside according to the filling of the high-pressure gas 405, and the high-pressure gas 405 ) is provided to the incompressible fluid 305, the flow of the fluid is controlled so that the same amount of incompressible fluid 305 as the amount of charge of the high-pressure gas 405 can be discharged to the outside while maintaining the pressure. designed to control
  • the high-pressure gas 405 receives a predetermined work (P i V i ) from an external high-pressure gas supply device in the process of being charged into the charging container 100.
  • a predetermined work P i V i
  • the received work P i V i
  • the incompressible fluid 305 is discharged to the outside.
  • the incompressible fluid 305 is discharged to the outside through the external supply line 310 of the fluid supply unit 300, since it has a relatively high pressure ( Pi V), the external supply line 310 ), it is also possible to utilize the work (P i V i ) transmitted by the incompressible fluid 305 by connecting a separate system.
  • the work transferred to the incompressible fluid 305 in the process of filling the high-pressure gas does not remain inside the filling container 100 and is changed into heat, and is released as it is. It is transmitted to the outgoing incompressible fluid 305, and the problem that the work transferred to the incompressible fluid 305 remains in the form of thermal energy inside the filling container 100 does not occur.
  • the problem of an increase in thermal energy inside the charging container 100 and a temperature increase due to the charging of the high-pressure gas 405 does not occur.
  • the temperature of the high-pressure gas 405 as well as the temperature of the incompressible fluid 305 are kept constant, and the incompressible fluid Only 305 is removed to the outside and the water level decreases.
  • the high-pressure gas filling pressure (P 2 ) inside the filling container 100 is maintained at the preset pressure, for example, 700 bar, similarly to the incompressible fluid ( The pressure (P f ) of 305) is also kept the same.
  • step S40 it is determined whether the high-pressure gas 405 is completely charged inside the charging container 100 (step S40), and the high-pressure gas inside the charging container 100 ( The filling of the high-pressure gas 405 continues until 405) is completely filled and the incompressible fluid 305 is sufficiently removed to the outside.
  • both the upper space 102 and the lower space 101 are filled with the high-pressure gas 405 inside the filling container 100, and the incompressible fluid 305 is sufficiently removed to the outside.
  • the fluid supply unit 300 is closed to block the flow of the incompressible fluid.
  • incompressible fluid 305 may remain inside the filling container 100 and may be mixed with the high-pressure gas supplied to the outside, but no problem occurs as described above.
  • the high-pressure gas 405 charged in the charging container 100 is transferred to a vehicle using the high-pressure gas as an energy source through the high-pressure gas filling unit 400 through the operation of the valve as described above. can be supplied with
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a high-pressure gas filling system according to another embodiment of the present invention.
  • the high-pressure gas filling system 40 includes a compressor 1100, a gas supply container 1200, a fluid storage container 1300, a filling container 1400, and a pipe part 1500.
  • the pipe part 1500 includes first to third pipes 1510, 1520, and 1530, and first to second valves are installed on the first to third pipes 1510, 1520, and 1530. (1511, 1521, 1531) are provided to control the opening (ON) or closing (OFF) of each pipe.
  • the compressor 1100 is connected to the gas supply container 1200 through a compression line 1101 and compresses the high-pressure gas 405 stored in the gas supply container 1200 to increase the pressure.
  • the high-pressure gas 405 stored in the gas supply container 1200 can be provided to the fluid storage container 1300 by a high pressure.
  • the gas supply container 1200 may have a predetermined chamber shape, and the capacity or structure of the chamber is not limited. In an initial state, the high-pressure gas 405 is stored in the inner space 1201 of the gas supply container 1200 .
  • the high-pressure gas 405 may be, for example, gaseous hydrogen, but is not limited thereto.
  • the gas supply container 1200 is connected to the fluid storage container 1300 through the first pipe 1510, and the first pipe 1510 is connected to the first pipe 1510 through a first valve 1511.
  • the flow of the high-pressure gas 405 through the piping 1510 is controlled.
  • the first pipe 1510 is connected between the lower part of the gas supply container 1200 and the upper part of the fluid storage container 1300, and the lower part of the gas supply container 1200 relatively stores the fluid. It is located at a position higher than the top of the container 1300 by the first height h1.
  • the high-pressure gas 405 stored in the gas supply container 1200 may be provided to the fluid storage container 1300 by its own high pressure, and by a position as high as the first height h1. , it is possible to prevent the reverse flow of the incompressible fluid 305.
  • the gas supply container 1200 is not necessarily limited to being located at a position higher than the fluid storage container 1300 by the first height h1, and by the high pressure of the high-pressure gas 405 The high-pressure gas 405 can be effectively supplied to the fluid storage container 1300 through the first pipe 1510 .
  • the fluid storage container 1300 may have a predetermined chamber shape like the gas supply container 1200, and the capacity or structure of the chamber is not limited.
  • the incompressible fluid 305 is stored in the internal space 1301 inside the fluid storage container 1300.
  • the incompressible fluid 305 is likewise described above, for example, water ) can be.
  • the fluid storage container 1300 is connected through the gas supply container 1200 and the first pipe 1510 on one side, and the filling container 1400, the second pipe 1520 and the third pipe on the other side. It is connected via (1530).
  • the first pipe 1510 can be connected through the upper portion of the fluid storage container 1300 .
  • One end of the second pipe 1520 is also connected to the upper part 1302 of the fluid storage container 1300.
  • the upper part 1302 of the fluid storage container 1300 is connected to the second pipe 1520, and the other end of the second pipe 1520 is connected to the upper part 1402 of the filling container 1400. do.
  • a temperature control device 1310 such as a cooling device, a heating device, or a heat exchanger may be added inside the fluid storage container 1300.
  • a temperature increase may be caused by compression of the gas inside the fluid storage container 1300, but the temperature control device 1310 This temperature rise can be controlled through
  • the second pipe 1520 has a temperature control such as a cooling device, a heating device, or a heat exchanger.
  • a device 1320 may also be added.
  • connection position to the filling container 1400 can be varied in various ways.
  • the charging container 1400 may be directly used as a charging container for actual mobility, as shown in FIGS. 10A and 10B described later, it may have various shapes, and thus the The position where the end is connected may be varied in consideration of the shape of the charging container 1400.
  • the lower part 1303 of the fluid storage container 1300 is connected to one end of the third pipe 1530, and the other end of the third pipe 1530 is connected to the lower part 1403 of the filling container 1400. ) is connected to
  • connection position to the filling container 1400 can be varied in various ways. Existence is as described above.
  • the charging container 1400 may have various shapes, and thus the location where the other end of the third pipe 1530 is connected may vary in consideration of the shape of the charging container 1400.
  • both the second pipe 1520 and the third pipe 1530 may be connected through the side of the filling container 1400 .
  • the second valve 1521 and the third valve 1531 are provided on the second pipe 1520 and the third pipe 1530, respectively, so that the fluid storage container 1300 and the filling container 1400 Open (ON) or close (OFF) the flow between them.
  • the filling container 1400 has an upper portion 1402 connected to the upper portion 1302 of the fluid storage container 1300 through the second pipe 1520, and a lower portion 1403 connected to the third pipe 1520. It is connected to the lower part 1303 of the fluid storage container 1300 through a pipe 1530.
  • the incompressible fluid 305 is not filled, and the high-pressure gas 405 is not filled, or a part of the high-pressure gas 405 remains to maintain a pressure lower than the rated charging pressure. is in a state of
  • the filling container 1400 may also have a predetermined chamber shape, and the capacity or structure of the chamber is not limited.
  • the lower portion of the filling container 1400 is located at a position higher than the upper portion of the fluid storage container 1300 by a second height h2.
  • the incompressible fluid 305 stored in the filling container 1400 can be provided to the fluid storage container 1300 through hydrostatic pressure generated by gravity.
  • the second height h2 can be designed in various ways.
  • the high-pressure gas 405 when the high-pressure gas 405 is completely charged into the charging container 1400, it can be detached from the high-pressure gas charging system 40.
  • the charging container 1400 is in a state in which the high-pressure gas 405 is charged therein, and although not shown, it can be directly mounted on a separate mobility or connected to a separate unit that provides high-pressure gas to the mobility. there is.
  • the charging container 1400 is connected to the high-pressure gas charging system 40 again, and recharging of the high-pressure gas 405 is performed.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a high-pressure gas charging method using the high-pressure gas charging system of FIG. 7 .
  • 9A to 9D are schematic diagrams illustrating each step of the high-pressure gas filling method of FIG. 8 .
  • the high-pressure gas 405 is filled and stored in the inner space 1201 of the gas supply container 1200, and the inner space 1301 of the fluid storage container 1300 An incompressible fluid 305 is stored.
  • the charging container 1400 can be assumed to be, for example, a fuel tank mounted on a vehicle for storing the high-pressure gas 405, and it can be assumed that the internal pressure is low because it is in a state in which charging is required. .
  • valves are controlled to open (ON) the first valve 1511 and the third valve 1531 (step S100). In this case, the second valve 1521 remains closed (OFF).
  • the high-pressure gas 405 stored in the gas supply container 1200 is injected into the inner space 1301 of the fluid storage container 1300 through the first valve 1510 (step S200).
  • the high-pressure gas 405 is in a state in which the pressure is increased by the compressor 1100, and can be naturally injected into the fluid storage container 1300 according to the opening of the first valve 1511.
  • step S300 as the high-pressure gas 405 is injected into the fluid storage container 1300 through the first pipe 1510, the fluid stored in the fluid storage container 1300
  • the incompressible fluid 305 is provided to the filling container 1400 through the third pipe 1530 (step S300).
  • the incompressible fluid 305 stored in the fluid storage container 1300 is pushed under pressure according to the injection of the high-pressure gas 405, and since the second valve 1521 is closed, FIG. As shown in 9b, it is supplied to the charging container 1400 through the first valve 1531 in an open state.
  • steps may be performed until the incompressible fluid 305 is injected into the filling container 1400 as desired by the user.
  • the pressure of the same gas as the high-pressure gas 405 remaining inside the filling container 1400 rises, and the pressure of the gas can be controlled so as not to exceed the filling pressure of the filling container 1400. there is.
  • a temperature increase may be caused by compression of the gas inside the fluid storage container 1300, but the temperature control device Through 1310, this temperature rise can be controlled.
  • step S400 the valves are controlled so that the first valve 1511 is closed (OFF) and the second valve 1521 is opened (ON) (step S400).
  • the high-pressure gas 405 is no longer supplied to the fluid storage container 1300, and the fluid storage container 1300 and the filling container 1400 Flow is carried out only between them.
  • the filling container 1400 is located at a position higher than the fluid storage container 1300 by the second height h2, generation occurs by the incompressible fluid 305 stored in the filling container 1400. It is obvious that the hydrostatic pressure 1 to be generated always has a higher value than the hydrostatic pressure 2 generated by the incompressible fluid 305 remaining inside the fluid storage container 1300.
  • the hydrostatic pressure 1 is defined as ⁇ *g*h4, and the hydrostatic pressure 2 is defined as ⁇ *g*h3, Since h4>h3, the hydrostatic pressure 1 is always greater than the hydrostatic pressure 2.
  • ⁇ is the density of the incompressible fluid and g is the gravitational acceleration.
  • the incompressible fluid 305 pushed into the filling container 1400 according to the supply of the high-pressure gas 405 is transferred to the third pipe ( 1530) is provided again to the fluid storage container 1300 (step S500).
  • the second height h2 may be appropriately designed to sufficiently secure a difference in hydrostatic pressure generated by gravity acting on the incompressible fluid 305 .
  • the incompressible fluid 305 can be supplied back to the fluid storage container 1300 through the hydrostatic pressure generated by gravity even without a separate driving unit or auxiliary unit such as a pressure providing unit.
  • the high-pressure gas 405 stored in the fluid storage container 1300 is supplied back to the fluid storage container 1300 as the incompressible fluid 305 is supplied to the external In this case, since the second valve 1521 is opened, the high-pressure gas 405 is provided to the filling container 1400 through the second pipe 1520 (step S600).
  • the high-pressure gas 405 stored in the fluid storage container 1300 is naturally charged into the filling container 1400 .
  • the temperature controller 1320 added to the second pipe 1520.
  • the temperature of the high-pressure gas 405 may be controlled.
  • the high-pressure gas 405 is filled as much as the incompressible fluid 305 is discharged.
  • the work performed by the high-pressure gas is converted into heat, thereby solving the problem of increasing the internal temperature of the filling container. That is, since the high-pressure gas filled in the filling container discharges the incompressible fluid to the outside, it is consumed without being separately converted into heat, so that the internal temperature of the filling container is maintained.
  • both the second and third valves 1521 and 1531 are closed (OFF). ) to control the valve (step S700).
  • the charging container 1400 is detached from the high-pressure gas charging system 40 and used for separate mobility or the like (step S800).
  • the charging container 1400 may be detachable from the high-pressure gas charging system 40 .
  • FIG. 10A is an example showing a state in which high-pressure gas is used in the filling container in the high-pressure gas charging method of FIG. 8
  • FIG. 10B is another example showing a state in which the high-pressure gas is used in the filling container.
  • the filling container 1400 may be detached from the high pressure gas filling system 40 together with a part of the second pipe 1520 and a part of the third pipe 1530. Accordingly, although not shown, the second and third pipes 1520 and 1530 may be directly connected to a separate external mobility or connected to other devices using high-pressure gas.
  • the charging container 1400 may itself be a charging container built into external mobility.
  • the charging container 1400 is not separately detachable, and the charging container 1400 itself is located in a form mounted on the mobility, and charging can be performed in a form in which pipes are connected to the charging container 1400. there is.
  • the second pipe 1525 and the third pipe 1535 connected to the filling container 1400 are adjacent to each other on the side of the filling container 1400, not the top and bottom. can be placed.
  • the charging container 1400 may be detached from the high-pressure gas charging system 40 together with a part of the second pipe 1525 and a part of the third pipe 1535.
  • the second and third pipes 1525 and 1535 are connected to the side of the charging container 1400 and removed to the outside, the convenience can be improved when directly connected to a separate mobility. there is.
  • the charging terminal 1600 extending from the mobility has a shape combining the fluid supply unit 300 and the high-pressure gas charging unit 400, it is formed on one side of the charging terminal 1600.
  • the first and second filling pipes 1610 and 1620 and the second and third pipes 1525 and 1535 may be more easily connected to each other.
  • the charging container 1400 On the other hand, if the charging container 1400 is detached from the high-pressure gas charging system 40 and the high-pressure gas filled therein is used up, the charging container 1400 will be connected to the high-pressure gas charging system 40 again. And the high-pressure gas can be recharged through the steps described above.
  • the incompressible fluid is provided to the filling container and the pressure in the remaining space is maintained at a preset pressure suitable for filling the high-pressure gas
  • the high-pressure gas starts to be filled in the filling container, and furthermore, since the filled incompressible fluid is removed to the outside along with the filling of the high-pressure gas, the internal pressure of the filling container is reduced to a preset pressure during the filling process of the high-pressure gas.
  • the internal pressure of the filling container may be maintained constant until the high-pressure gas is completely filled in the filling container and the incompressible fluid is sufficiently removed to the outside.
  • the internal pressure of the charging container is maintained at a predetermined pressure suitable for high-pressure gas filling, the compression phenomenon of the high-pressure gas does not occur during the charging process of the high-pressure gas, and a separate A high-pressure gas cooling device or the like can be omitted.
  • charging can be performed by maintaining the temperature of the high-pressure gas to be charged at a required temperature.
  • the temperature of the incompressible fluid is also equal to the temperature of the high-pressure gas. Since it is maintained at the same or lower temperature, the temperature of the charging container can be kept low without a separate cooling device or temperature control device for temperature control or cooling of the high-pressure gas.
  • the incompressible fluid when the incompressible fluid is selected as a material that does not affect the durability of a device using high-pressure gas, even if the incompressible fluid is not sufficiently removed from the filling container and remains, a vehicle using high-pressure gas as fuel Since no problem occurs even if the incompressible fluid remaining with the gas is provided, there is no design difficulty in completely removing the incompressible fluid.
  • a water separator may be provided at the outlet of the high-pressure gas, so that problems due to mixing of the incompressible fluid and the high-pressure gas can be prevented.
  • the pressure of the high-pressure gas is increased through a compressor and provided only to the fluid storage container in which the incompressible fluid is stored. can do.
  • the temperature inside the filling container rises due to the heat generated in the filling process. Since the high-pressure gas is charged while discharging to, it is possible to minimize the heat generated inside the charging container during the charging process, so that more effective and stable high-pressure gas can be charged.

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Abstract

고압기체 충전시스템 및 이를 이용한 수소 충전방법에서, 상기 고압기체 충전시스템은 충전용기, 유체 제공부 및 고압 기체 충전부를 포함한다. 상기 충전용기에는 고압 기체가 충전된다. 상기 유체 제공부는 상기 충전용기의 일측에 연결되어, 상기 고압 기체의 충전 전에 상기 충전용기의 내부로 비압축성 유체를 제공한다. 상기 고압 기체 충전부는 상기 충전용기의 타측에 연결되어, 상기 비압축성 유체가 제공된 상기 충전용기의 내부로 상기 고압 기체를 충전한다. 이 경우, 상기 비압축성 유체는, 상기 충전용기의 내부 압력이 기 설정된 압력에 도달할 때까지 제공되며, 상기 고압 기체가 충전됨에 따라 상기 유체 제공부를 통해 외부로 제거된다.

Description

고압 기체 충전시스템 및 이를 이용한 고압 기체 충전방법
본 발명은 고압 기체 충전시스템 및 이를 이용한 고압 기체 충전방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소와 같은 고압 기체를 충전 용기에 충전시키는 경우, 고압 기체 충전 과정에서 충전용기의 내부에서 고압 기체의 압축에 의한 온도 상승 현상을 방지하여 별도의 냉각 장치를 생략할 수 있으며, 별도의 설비를 최소화하면서도 안정적인 고압 기체충전과 충전속도를 향상시킬 수 있는 고압 기체 충전시스템 및 이를 이용한 고압 기체 충전방법에 관한 것이다.
최근 수소차량의 수요 증가 및 보급 확대에 따라, 수소차량에 수소를 공급하기 위한 수소 충전센터의 설치 및 보급이 확대되고 있는 상황이다.
이러한 수소 충전센터에서는, 충전용기에 수소를 미리 충전하며, 이렇게 충전된 충전용기의 수소를 수소차량으로 제공하게 되는데, 이를 위해서는 사전에 충전용기에 수소를 미리 충전하고, 이를 다시 수소차량의 충전용기에 충전하여야 한다.
종래 충전용기에 수소를 충전하는 과정에서는, 도 1에 도시된 바와 같이 충전용기(2)에 수소충전라인(3)이 연결된 상태에서 수소가 충전된다. 그러나, 이와 같이 상기 수소가 상기 충전용기(2)로 충전되는 과정에서 상기 충전용기(2)의 내부에서 수소가 압축되며 열이 발생하게 되는데, 이렇게 발생하는 열에 의해 수소충전 시간이 증가하고, 충전용기의 내구성에 악영향을 주는 문제가 있다.
이러한 문제를 억제하기 위하여, 수소 충전 시 수소를 약 -40℃까지 냉각시키는 기술이 적용되고 있으나, 상기 충전용기(2) 내부 온도가 충전용기의 내구성에 영향을 줄 수 있는 온도까지 상승하는 현상을 완벽하게 방지하지 못한다.
이에, 종래 수소차량 충전용기의 수소 충전시에는 수소 충전과정에서 발생되는 열을 냉각시키기 위한 별도의 냉각장치가 구비되어야 했다. 이는 대한민국 등록특허 제10-1272589호를 통해 확인될 수 있으며, 이러한 냉각장치를 통해 충전용기를 냉각시켜 수소 충전과정에서의 충전 시간의 증가를 최소화하였다.
그러나, 이와 같은 냉각장치가 추가로 구비됨으로써, 전체적인 충전 시스템의 설계가 복잡해지거나 시스템 전체의 규모가 커지는 등의 문제가 발생하였으며, 수소 충전 과정에서 발생하는 열을 근본적으로 차단하지 못해 여전히 충전용기 내부의 온도상승이 발생하는 문제가 있었다.
관련 선행기술 문헌으로는 대한민국 등록특허 제10-1272589호가 있다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 수소와 같은 고압 기체의 충전 과정에서 충전용기 내부에서 고압 기체 압축에 의한 온도 상승을 최소화하거나 또는 온도 상승 현상을 방지하여 별도의 냉각 장치를 생략하여 시스템 설계를 단순화할 수 있으며, 안정적인 고압 기체충전과 충전속도를 향상시킬 수 있는 고압 기체 충전시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 고압 기체 충전시스템을 이용한 고압 기체 충전방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 고압기체 충전시스템은 충전용기, 유체 제공부 및 고압 기체 충전부를 포함한다. 상기 충전용기에는 고압 기체가 충전된다. 상기 유체 제공부는 상기 충전용기의 일측에 연결되어, 상기 고압 기체의 충전 전에 상기 충전용기의 내부로 비압축성 유체를 제공한다. 상기 고압 기체 충전부는 상기 충전용기의 타측에 연결되어, 상기 비압축성 유체가 제공된 상기 충전용기의 내부로 상기 고압 기체를 충전한다. 이 경우, 상기 비압축성 유체는, 상기 충전용기의 내부 압력이 기 설정된 압력에 도달할 때까지 제공되며, 상기 고압 기체가 충전됨에 따라 상기 유체 제공부를 통해 외부로 제거된다.
일 실시예에서, 상기 고압 기체가 충전됨에 따라 상기 충전용기에 충전되는 고압 기체의 압력 및 상기 충전용기에 잔류하는 비압축성 유체의 압력은 모두 상기 기 설정된 압력을 유지할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 충전용기에 미리 제공되는 비압축성 유체의 온도는 상기 충전용기에 충전되는 고압 기체의 온도와 동일하거나 더 낮을 수 있다. 이에, 상기 충전용기의 온도를 낮출 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유체 제공부는, 외부로부터 상기 비압축성 유체를 제공받는 외부 제공라인, 및 상기 외부 제공라인에 연결되어 상기 충전용기의 하부공간으로 연장되는 내부 제공라인을 포함할 수 있다. 또한, 상기 내부 제공라인은, 끝단부가 상기 충전용기의 저면에 접하도록 연장되거나, 상기 충전용기의 저면을 향하도록 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 충전용기는 지면에 대하여 소정 각도 기울어지도록 배치되며, 상기 내부 제공라인은 상기 기울어진 충전용기의 저면을 향하도록 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고압 기체 충전부는, 외부로부터 상기 고압 기체를 제공받는 외부 충전라인, 및 상기 외부 충전라인에 연결되어 상기 충전용기의 상부공간으로 연장되는 상부 제공라인을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고압 기체 충전부는, 밸브의 동작을 통해 상기 충전용기에 충전된 고압 기체를 외부로 공급하며, 상기 고압 기체 충전부 상에는, 상기 고압 기체에 포함되는 비압축성 유체를 제거하는 기수 분리기가 구비될 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 고압 기체 충전방법에서, 충전용기의 일측에 연결된 유체 제공부를 통해 상기 충전용기의 내부로 비압축성 유체를 제공한다. 상기 충전용기의 압력이 기 설정된 압력에 도달하는 가의 여부를 판단한다. 상기 충전용기의 압력이 기 설정된 압력에 도달되는 경우, 상기 충전용기의 타측에 연결되는 고압 기체 충전부를 통해 상기 충전용기의 내부로 고압 기체를 충전하고, 상기 고압 기체가 충전됨에 따라 상기 비압축성 유체를 상기 유체 제공부를 통해 외부로 제거한다. 이 경우, 상기 충전용기의 내부로 고압 기체가 완충될 때까지, 상기 고압 기체를 충전시키며 상기 비압축성 유체를 외부로 제거한다.
일 실시예에서, 상기 고압 기체를 충전시키고 상기 비압축성 유체를 외부로 제거하는 단계에서, 상기 충전용기에 충전되는 고압 기체의 압력과 상기 충전용기에 잔류하는 비압축성 유체의 압력은 모두 상기 기 설정된 압력을 유지할 수 있다. 이에, 상기 고압 기체의 팽창 또는 압축을 방지할 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 고압기체 충전시스템은 기체 공급용기, 유체 저장용기 및 충전 용기를 포함한다. 상기 기체 공급용기는 고압 기체가 저장 된다. 상기 유체 저장용기는 상기 기체 공급용기와 연결되며, 비압축성 유체가 저장된다. 상기 충전 용기는 상기 유체 저장용기의 상부 및 하부와 각각 연결되며, 상기 고압 기체가 충전된다. 이 경우, 상기 기체 공급용기에 저장된 고압 기체가 상기 유체 저장용기로 제공됨에 따라, 상기 유체 저장용기에 저장된 비압축성 유체는 상기 충전용기로 제공되고, 상기 충전용기로 제공된 비압축성 유체가 상기 유체 저장용기로 다시 제공되면서 상기 유체 저장용기의 고압 기체가 상기 충전용기로 충전된다.
일 실시예에서, 상기 충전 용기가 상기 유체 저장용기보다 상부에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 충전용기의 비압축성 유체는 중력에 의해 발생하는 정수력압에 의해 상기 유체 저장용기로 다시 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유체 저장용기로 제공되는 고압 기체 및 상기 유체 저장용기로 제공되는 비압축성 유체의 온도가 기 설정된 온도를 유지할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기체 공급용기와 상기 유체 저장용기 사이에 연결되며, 제1 밸브가 구비되는 제1 배관, 상기 유체 저장용기의 상부와 상기 충전용기 사이에 연결되며, 제2 밸브가 구비되는 제2 배관, 및 상기 유체 저장용기의 하부와 상기 충전용기 사이에 연결되며, 제3 밸브가 구비되는 제3 배관을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 밸브 및 상기 제3 밸브가 개방(ON)되고 상기 제2 밸브가 폐쇄(OFF)된 상태에서, 상기 기체 공급용기에 저장된 고압 기체가 상기 제1 배관을 따라 상기 유체 저장용기로 제공되고, 상기 유체 저장용기에 저장된 비압축성 유체가 상기 제3 배관을 따라 상기 충전용기로 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 밸브가 폐쇄되고(OFF), 상기 제2 밸브 및 상기 제3 밸브가 개방(ON)된 상태에서, 상기 충전용기로 제공된 비압축성 유체가 상기 제3 배관을 따라 상기 유체 저장용기로 다시 제공되면서 상기 유체 저장용기의 고압 기체가 상기 제2 배관을 따라 상기 충전용기로 충전될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고압 기체가 충전된 상기 충전 용기는, 외부 모빌리티에 내장되거나, 탈착되어 외부 모빌리티에 장착되거나, 외부의 모빌리티로부터 연장되는 충전단말기에 연결될 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 고압기체 충전방법에서, 기체 공급용기로부터 유체 저장용기로 고압 기체를 주입한다. 상기 유체 저장용기로 고압 기체가 주입됨에 따라, 상기 유체 저장용기에 저장된 비압축성 유체가 충전용기로 제공된다. 상기 유체 저장용기로 고압 기체의 주입이 완료된 상태에서, 상기 충전용기로부터 상기 유체 저장용기로 비압축성 유체가 다시 제공된다. 상기 유체 저장용기로 비압축성 유체가 제공됨에 따라, 상기 유체 저장용기에 주입된 고압 기체는 상기 충전용기로 충전된다.
일 실시예에서, 상기 충전 용기가 상기 유체 저장용기보다 상부에 위치하는 경우, 상기 유체 저장용기로 비압축성 유체가 다시 제공되는 단계에서, 상기 충전용기의 비압축성 유체는 정수력압에 의해 상기 유체 저장용기로 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유체 저장용기로 고압 기체를 주입하는 단계에서, 상기 기체 공급용기와 상기 유체 저장용기 사이에 연결되는 제1 밸브를 개방하고, 압축기를 통해 상기 고압 기체의 압력을 증가시켜, 상기 기체 공급용기에 저장된 고압 기체를 상기 유체 저장용기로 제공하고,
상기 유체 저장용기에 저장된 비압축성 유체가 상기 충전용기로 제공되는 단계에서, 상기 유체 저장용기의 상부와 상기 충전용기의 상부 사이에서 연결되는 제2 밸브는 폐쇄하고, 상기 유체 저장용기의 하부와 상기 충전용기의 하부 사이에서 연결되는 제3 밸브는 개방하여, 상기 유체 저장용기로 고압 기체가 제공되는 압력에 의해, 상기 비압축성 유체는 상기 충전용기로 제공되고,
상기 유체 저장용기로 비압축성 유체가 다시 제공되고, 상기 고압 기체가 상기 충전용기로 충전되는 단계에서, 상기 제1 밸브는 폐쇄하고, 상기 제2 밸브는 개방하여, 상기 비압축성 유체는 상기 충전용기의 하부로부터 상기 유체 저장용기의 하부를 통해 상기 유체 저장용기로 채워지고, 이에 따라 상기 고압 기체는 상기 유체 저장용기의 상부로부터 상기 충전용기의 상부를 통해 상기 충전용기로 충전될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 충전용기에 비압축성 유체를 선행적으로 제공하여, 충전용기에 비압축성 유체가 제공되고 남은 공간의 압력이 고압 기체를 충전하기에 적합한 기 설정된 압력으로 유지되는 경우, 비로소 충전용기에 고압기체를 충전하기 시작하며, 나아가, 고압 기체의 충전과 함께 채워져 있던 비압축성 유체를 외부로 제거하므로, 상기 고압 기체의 충전과정에서 상기 충전용기의 내부 압력은 기 설정된 압력으로 계속 유지될 수 있다.
또한, 상기 충전용기의 내부 압력은 상기 충전용기에 고압 기체가 완전히 충전되고 비압축성 유체가 외부로 충분히 제거될 때까지 일정하게 유지될 수 있다.
이상과 같이 상기 충전용기의 내부 압력이 고압 기체 충전에 적합한 기 설정된 압력으로 유지되므로, 고압 기체의 충전과정에서 고압 기체의 압축현상이 발생하지 않아, 충전용기의 내부 온도 상승을 방지하기 위한 별도의 고압 기체 냉각장치 등을 생략할 수 있다.
특히, 고압 기체의 충전과정에서 압력 변화가 발생하지 않으므로, 충전되는 고압 기체의 온도를 필요로 하는 온도로 유지하여 충전을 수행할 수 있으며, 이 경우, 비압축성 유체의 온도 역시 상기 고압 기체의 온도와 동일하거나 더 낮게 유지되어 제공되므로, 고압 기체의 온도 제어 또는 냉각 등을 위한 별도의 냉각장치나 온도 제어장치 없이 충전용기 온도를 낮게 유지할 수 있다.
나아가, 충전되는 고압 기체의 온도와 상기 비압축성 유체의 온도를 낮춤으로써, 고압 기체 공급압력을 낮추는 효과를 가져올 수 있다.
특히, 상기 비압축성 유체를 고압 기체를 사용하는 장치의 내구성에 영향을 미치지 않는 물질로 선정하는 경우, 상기 비압축성 유체가 충전용기로부터 충분히 제거되지 못하고 잔류한다 하더라도, 고압 기체를 연료로 사용하는 차량에 고압 기체와 함께 잔류된 비압축성 유체가 제공되어도 전혀 문제가 발생하지 않으므로, 상기 비압축성 유체를 완벽하게 제거하여야 하는 설계의 어려움도 발생하지 않는다.
또한, 비압축성 유체가 혼합되는 것을 방지하기 위해, 고압 기체 유출부에 기수 분리기를 구비시킬 수 있으므로, 비압축성 유체와 고압 기체의 혼합으로 인한 문제를 방지할 수 있다.
또한, 충전 용기로 고압 기체를 충전하는 과정에서, 압축기를 통해 고압 기체의 압력을 높여 비압축성 유체가 저장된 유체 저장용기로만 제공해 주는 것으로, 별도의 비압축성 유체 공급 설비를 생략하면서 간단하고 용이하게 충전을 수행할 수 있다.
즉, 상기 고압기체 충전시스템의 배관 구성 및 밸브의 ON/OFF 제어만을 통해, 별도의 비압축성 유체 공급 설비를 생략하면서도, 충전 용기에 비압축성 유체를 주입 및 회수하는 효과를 얻어 고압 기체로서 수소 기체를 효과적으로 충전할 수 있다.
특히, 충전 용기에 고압 기체만을 바로 충전하는 경우, 충전과정에서 발생되는 열에 의해 충전용기 내부의 온도가 상승하는 문제가 야기되는데, 상기 충전 용기에는 비압축성 유체를 선 제공한 상태에서, 비압축성 유체를 외부로 토출시키며 상기 고압 기체를 충전하게 되므로, 충전과정에서 충전용기 내부에서 발생되는 열을 최소화할 수 있어 보다 효과적이고 안정적인 고압 기체의 충전이 가능하다.
이 경우, 상기 비압축성 유체의 외부 토출이, 별도의 가압부 등의 설비를 통해 수행되지 않고, 중력에 의해 발생하는 정수력압을 통하여 수행되므로 별도의 설비를 최소화하며 안정적인 충전과 충전 속도 향상이 가능할 수 있다.
도 1은 종래기술에서의 고압기체 충전시스템을 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 고압기체 충전시스템을 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 고압기체 충전시스템을 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 고압기체 충전시스템을 도시한 모식도이다.
도 5는 도 2의 고압기체 충전시스템을 이용한 고압 기체 충전방법을 도시한 흐름도이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 5의 고압 기체 충전방법에 따른 고압기체 충전시스템의 상태를 도시한 모식도들이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 고압 기체 충전시스템을 도시한 모식도이다.
도 8은 도 7의 고압 기체 충전시스템을 이용한 고압 기체 충전방법을 도시한 흐름도이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 8의 고압 기체 충전방법의 각 단계를 예시한 모식도들이다.
도 10a는 도 8의 고압 기체 충전방법에서, 충전용기의 고압 기체를 사용하는 상태를 도시한 일 예이고, 도 10b는 상기 충전용기의 고압 기체를 사용하는 상태를 도시한 다른 예이다.
<부호의 설명>
10, 20, 30, 40 : 고압기체 충전시스템
100, 1400 : 충전용기 101 : 하부공간
102 : 상부공간 200 : 센서부
300, 301, 302 : 유체 제공부 305 : 비압축성 유체
320, 330, 340 : 내부제공라인 321, 331 : 끝단부
400 : 고압 기체 충전부 405 : 고압기체
420 : 내부 충전라인 500 : 기수 분리기
1100 : 압축기 1200 : 기체 공급용기
1300 : 유체 저장용기 1500 : 밸브부
1510 : 제1 배관 1511 : 제1 밸브
1520 : 제2 배관 1521 : 제2 밸브
1530 : 제3 배관 1531 : 제3 밸브
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 종래기술에서의 고압기체 충전시스템을 도시한 모식도이다.
도 1을 참조하면, 종래기술에서의 고압기체 충전시스템(1)에서는, 고압 기체가 충전되는 충전용기(2)의 일 측에 고압 기체 충전라인(3)이 연결되며, 상기 고압 기체 충전라인(3)을 통해 고압 기체가 상기 충전용기(2)의 내부로 제공된다.
이 경우, 고압 기체는 예를 들어 수소일 수 있다. 이는 이하에서 설명하는 본 발명의 실시예들에서도 동일하다.
상기 고압기체 충전시스템(1)의 경우, 충전되는 고압 기체, 예를 들어 수소의 온도를, 예를 들어 -40℃로 냉각하여 제공한다 하더라도, 상기 충전용기(2)의 내부에서는 80℃ 이상으로 상승하게 되며, 이러한 온도 상승은 상기 충전용기(2)의 안정적인 운용을 위해 제한되는 온도에까지 다다를 수 있다.
따라서, 상기 충전용기(2)의 내부 온도를 냉각시키기 위한 별도의 냉각 장치가 요구되었으나, 상기 냉각 장치를 통해 상기 충전용기 온도를 냉각시키더라도, 냉각이 완료될 때까지 추가로 고압 기체를 충전하지 못하게 되므로, 고압 기체 충전의 시간이 증가하는 문제가 있었다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 소정의 내부에너지(Ui)를 가지는 고압 기체가 충전용기(2)의 내부로 충전됨에 따라, 상기 충전용기(2)의 내부에너지(Ut)는 하기 식 (1)과 같이 변화하게 된다.
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식 (1)
즉, 식 (1)을 통해 확인되는 바와 같이, 상기 고압 기체 충전라인(3)을 통해 고압 기체를 공급함에 따른 상기 고압 기체 충전라인(3)의 엔탈피(Hi)는 고압 기체가 충전된 후의 상기 충전용기(2)의 내부에너지(Ut)와 동일하다고 할 수 있다. 또한, 이 과정에서 상기 고압 기체는 스스로 가진 내부에너지(Ui)외에 충전 과정에서 외부의 고압 기체 공급장치로부터의 소정의 일(PiVi, Pi는 고압 기체공급 압력, Vi는 충전용기의 부피)을 전달받게 된다.
이와 같이, 상기 고압 기체의 충전과정에서 상기 고압 기체로 전달되는 일(PiVi)은 곧 열로 변화하게 되며, 이러한 열로 인해 상기 충전용기(2) 내부의 온도가 상승하는 문제가 발생한다.
따라서, 이하의 본 실시예들을 통해서는, 상기 고압 기체의 충전과정에서 소요되는 일이 열로 변화하지 않도록 하여 상기 충전용기의 내부의 온도가 상승하지 않도록 고압기체 충전시스템을 설계하였으며, 이에 대하여 후속되는 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 고압기체 충전시스템을 도시한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 고압기체 충전시스템(10)은 충전용기(100), 센서부(200), 유체 제공부(300) 및 고압 기체 충전부(400)를 포함한다.
상기 충전용기(100)는 내부에 후술되는 고압 기체가 충전되는 저장소 또는 고압 기체차량에 설치되는 충전용기에 해당되며, 소정 부피를 가지는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
상기 유체 제공부(300)는 상기 충전용기(100)의 일측에 연결되며, 상기 충전용기(100)의 내부로 비압축성 유체를 제공하거나, 상기 충전용기(100)의 내부로부터 상기 비압축성 유체를 외부로 제거한다.
이 경우, 비압축성 유체(incompressible fluid)란 압력이나 유속이 가변되더라도 밀도가 거의 변화하지 않은 유체로서, 대표적인 비압축성 유체로서 수소 연료전지의 성능에 큰 영향을 주지 않는 물(water)이 사용될 수 있다.
상기 유체 제공부(300)는 외부 제공라인(310) 및 내부 제공라인(320)을 포함하며, 상기 외부 제공라인(310)은 외부의 별도의 비압축성 유체 저장부(미도시)와 연결되어, 상기 비압축성 유체를 상기 충전용기(100)까지 이송시킨다.
상기 내부 제공라인(320)은 상기 외부 제공라인(310)으로부터 연장되어 상기 충전용기(100)의 내부 공간, 즉 하부 공간(101)을 향하여 연장되며, 상기 외부 제공라인(310)을 통해 이송된 비압축성 유체는 상기 내부 제공라인(320)을 따라 상기 하부 공간(101)으로 공급된다.
물론, 상기 충전용기(100)에 저장되던 비압축성 유체가 외부로 제거되는 경우, 1차적으로 상기 내부 제공라인(320)을 통해 비압축성 유체가 이동된 후 상기 외부 제공라인(310)을 통해 외부로 제거될 수 있다.
한편, 본 실시예의 경우, 상기 내부 제공라인(320)의 끝단부(321)는 도시된 바와 같이, 상기 충전용기(100)의 저면과 접하도록 연장되도록 형성될 수 있다. 그리하여, 상기 비압축성 유체를 회수하는 과정에서 상기 충전용기(100)에 잔류하는 비압축성 유체를 최소화할 수 있다.
상기 고압 기체 충전부(400)는 상기 충전용기(100)의 타측에 연결되며, 상기 충전용기(100)의 내부로 고압 기체를 공급하여, 상기 충전용기(100)의 내부에 고압 기체를 충전한다.
이 경우, 상기 고압 기체 충전부(400)가 상기 충전용기(100)의 타측에 연결되는 것을 예시하였으나, 상기 고압 기체 충전부(400)의 연결 위치는 다양하게 가변될 수 있다.
상기 고압 기체 충전부(400)는 외부 충전라인(410) 및 내부 충전라인(420)을 포함하며, 상기 외부 충전라인(410)은 외부의 별도의 고압 기체 저장부(미도시)와 연결되어, 상기 고압 기체를 상기 충전용기(100)까지 이송시킨다.
상기 내부 충전라인(420)은 상기 외부 충전라인(410)으로부터 연장되어 상기 충전용기(100)의 내부 공간, 즉 상부 공간(102)을 향하여 연장되며, 상기 외부 충전라인(410)을 통해 이송된 고압 기체는 상기 내부 충전라인(420)을 따라 상기 상부 공간(102)으로 공급된다.
또한, 상기 내부 충전라인(420)은 상기 내부 제공라인(320)과 유사하게 상기 충전용기(100)의 상면과 평행한 방향으로 연장될 수 있으며, 상기 내부 충전라인(420)의 연장되는 방향은 상기 상부 공간(102)을 향한다면 다양하게 가변되어도 무방하다.
본 실시예의 경우, 상기 충전용기(100)의 내부 공간 중, 하부 공간(101)으로는 선행적으로 비압축성 유체가 공급되어 채워지므로, 상기 내부 제공라인(320)은 상기 충전용기(100)의 저면과 근접하도록 상기 충전용기(100)의 내부로 위치한다. 이와 달리, 상기 고압 기체는, 상기 비압축성 유체가 일정부분 채워진 후, 상기 충전용기(100)의 내부 공간 중, 상부 공간(102)으로 공급되므로, 상기 내부 충전라인(420)은 상기 충전용기(100)의 상면과 근접하도록 상기 충전용기(100)의 내부로 위치한다.
상기 센서부(200)는 상기 충전용기(100)의 상태나, 상기 비압축성 유체의 제공상태, 상기 고압 기체의 충전 상태 등에 대한 센싱을 수행하는 것으로, 예를 들어, 온도센서(210), 수위센서(220), 압력센서(230) 및 유량센서(240)를 포함할 수 있다.
상기 온도센서(210)는 상기 충전용기(100) 내부의 온도를 센싱하는 것으로, 상기 충전용기(100)의 내부에 상기 비압축성 유체가 채워지는 경우 상기 비압축성 유체의 온도를 측정할 수 있으며, 상기 충전용기(100)의 내부에 고압 기체가 충전되는 경우 상기 고압 기체의 온도를 측정할 수도 있다. 물론, 상기 비압축성 유체와 상기 고압 기체의 온도를 개별적으로 측정할 수도 있다.
본 실시예의 경우, 후술하겠으나, 상기 고압 기체가 상기 충전용기(100)에 충전되는 과정에서 상기 고압 기체의 온도가 일정하게 유지되므로, 상기 비압축성 유체의 온도를 상기 고압 기체의 온도와 동일하게 유지시켜 제공함으로써 상기 고압 기체의 온도를 일정하게 유지시키거나, 상기 비압축성 유체의 온도를 상기 고압 기체의 온도보다 낮게 유지시켜 제공함으로써, 상기 고압 기체의 온도 감소를 유도할 수 있다.
따라서, 상기 온도센서(210)를 통해 상기 비압축성 유체와 상기 고압 기체의 온도를 모두 측정하여, 기 설정된 필요로 하는 고압 기체의 온도가 잘 유지되는 지를 판단할 수 있다.
한편, 종래에는 고압 기체의 공급시 -40℃로 압축하여 제공하였으나, 본 실시예의 경우, 공급되는 고압 기체의 온도가 상승하는 문제가 발생하지 않으므로, 상기 고압 기체의 온도를 예를 들어 30℃ 정도, 또는 상온으로 유지하여 공급할 수 있으며, 이에 따라 상기 비압축성 유체 역시 30℃ 정도, 또는 상온으로 유지되어 제공될 수 있다.
물론, 상기 충전되는 고압 기체의 온도는 상대적으로 더 낮게 유지될 수 있으며, 이에 따라 상기 제공되는 비압축성 유체의 온도도 더 낮게 유지되어 제공될 수 있다. 한편, 상기 고압 기체의 온도가 상온보다 낮은 온도로 제공된다면, 보다 낮은 공급 압력으로 상기 고압 기체를 충전시키더라도 동일한 질량의 고압 기체를 상기 충전용기(100)로 제공할 수 있는 장점이 있다.
다만, 상기 비압축성 유체는 예를 들어, 물이므로 상기 물이 액체 상태를 유지할 수 있는 온도의 범위에서 상기 고압 기체의 온도를 설정하여 충전하는 것이 필요하다.
한편, 상기 수위센서(220)는 상기 충전용기(100)의 내부에 채워지는 상기 비압축성 유체의 수위를 센싱한다. 이를 통해, 상기 충전용기(100)의 내부에 채워지는 상기 유체의 유량을 계측할 수 있으며, 나아가 상기 비압축성 유체의 수위가 상기 내부 충전라인(420)이 위치하는 수위까지 증가하지 않도록 유체의 공급을 제어할 수 있다. 또한, 최종적으로 상기 충전용기(100)에 고압 기체가 완충되어 비압축성 유체가 충분히 제거되었는가의 여부도 센싱할 수 있다.
이 경우, 상기 유량센서(240)를 통해 상기 수위센서(220)의 센싱 결과를 동일하게 획득할 수도 있다. 즉, 상기 유량센서(240)는 상기 유체 제공부(300) 상에 구비될 수 있는데, 이를 통해 상기 유체 제공부(300)를 통해 유동되는 비압축성 유체의 유량을 측정한다.
그리하여, 상기 충전용기(100)의 내부로 제공된 유체의 양에 대한 정보를 획득할 수 있으며, 마찬가지로 상기 충전용기(100)로부터 외부로 제거되는 유체의 양에 대한 정보도 획득할 수 있고, 결국 상기 충전용기(100)의 내부에 잔류하는 비압축성 유체의 양에 대한 정보를 획득하게 된다.
이상과 같이, 상기 유량센서(240)는 실질적으로 상기 수위센서(220)와 동일한 결과를 획득할 수 있는 것으로, 상기 수위센서(220)와 상기 유량센서(240)는 어느 하나만 구비될 수 있으며, 이와 달리 모두 구비될 수 있다.
상기 압력센서(230)는 상기 충전용기(100)의 내부의 압력을 센싱하는 것으로, 상기 충전용기(100)의 내부로 상기 비압축성 유체가 제공됨에 따라, 상기 비압축성 유체가 차지하는 공간 외의 공간, 즉 고압 기체가 충전될 공간의 압력을 측정한다.
그리하여, 상기 고압 기체가 충전될 공간의 압력이, 기 설정된 압력에 도달하는 가의 여부를 센싱하여, 상기 충전용기(100)로 고압 기체를 충전하여야 하는 시기를 판단할 수 있다.
일반적으로, 상기 충전용기(100)에 비압축성 유체가 제공되지 않는 초기상태에서 상기 충전용기(100)의 압력은 5bar 정도일 수 있다. 그러나, 상기 충전용기(100)에 고압 기체가 충전되기 위해서는 상기 충전용기(100)의 압력은 700bar 정도로 유지되는 것이 필요할 수 있다.
따라서, 상기 충전용기(100)의 내부로 상기 비압축성 유체를 제공하여 상기 충전용기(100)의 내부 압력을 증가시켜, 상기 충전용기(100)의 내부 압력을 상기 고압 기체가 충전되기 위해 필요한, 즉 기 설정된 압력에 도달시킬 필요가 있다.
이에, 상기 압력센서(230)를 통해, 상기 비압축성 유체의 공급에 따른 상기 충전용기(100) 내부의 압력을 측정함으로써, 상기 비압축성 유체의 공급 여부를 판단할 수 있으며, 이를 통해 상기 충전용기(100)로의 고압 기체 충전을 시작하는 시점을 판단할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 고압 기체 충전부(400)는 앞서 설명한 바와 같이 상기 충전용기(100)로 고압 기체를 충전시키는 것은 물론, 삼방밸브를 통해 선택적으로 유출라인을 개방시켜, 상기 충전용기(100)에 충전된 고압 기체를 외부로 공급할 수도 있다.
즉, 상기 삼방밸브의 동작에 따라, 충전라인을 개방시켜, 상기 충전용기(100)로 고압 기체를 충전시킬 수 있으며, 상기 유출라인을 개방시켜 상기 충전용기(100)에 충전된 고압 기체를 외부로 공급할 수도 있다.
한편, 상기 충전용기(100)의 내부공간에는, 상기 비압축성 유체가 외부로 제거되면서 고압 기체가 충전되는 것으로, 상기 고압 기체의 충전이 완료된 상태에서도 상기 비압축성 유체의 일부가 상기 내부공간에 잔류할 수 있다.
따라서, 상기 고압 기체 충전부(400)를 통해 고압 기체를 외부로 공급하는 경우, 상기 고압 기체에 비압축성 유체가 혼합되어 공급될 수 있다. 이에, 상기 고압 기체 충전부(400) 상에는 기수 분리기(500)가 구비될 수 있다.
그리하여, 외부로 유출되는 고압 기체에 비압축성 유체가 포함되는 경우 상기 기수 분리기(500)를 통해 상기 비압축성 유체를 제거할 수 있으며, 이에 따라 보다 순도 높은 고압 기체만을 외부로 공급할 수 있다.
이와 달리, 도시하지는 않았으나, 상기 고압 기체 충전부(400)는 고압 기체 충전만 수행하며, 별도의 고압 기체 유출라인이 상기 충전용기(100)와 연결되어, 고압 기체를 외부로 유출하는 경우 상기 고압 기체 유출라인을 통해서 유출이 수행될 수도 있다. 이 경우, 상기 기수 분리기(500)는 상기 별도로 형성되는 고압 기체 유출라인 상에 구비될 수 있다.
일반적으로 비압축성 유체로서 물이 사용되는 경우, 물은 특히 수소와의 용해도가 높지 않으므로, 상기 충전용기(100)의 내부에서 고압 기체가 충전되며 비압축성 유체가 제거되는 과정에서 수소와 물은 거의 혼합되지 않는다. 나아가, 수소를 에너지원으로 사용하는 연료전지의 경우, 연료전지를 통해 최종적으로 발생하는 부산물은 물이므로, 상기 수소와 비압축성 유체로서 물이 서로 혼합된 상태로 연료전지로 공급된다 하더라도, 상기 연료전지의 손상이나 성능 저하 등의 문제는 발생하지 않는다.
따라서, 본 실시예에서와 같이, 상기 충전용기(100)의 내부에 미리 비압축성 유체를 제공한 상태에서, 고압 기체의 충전에 따라 비압축성 유체를 외부로 제거한다 하더라도, 상기 고압 기체와 상기 비압축성 유체의 혼합의 문제는 거의 발생하지 않을 수 있다.
나아가, 상기 고압 기체와 상기 비압축성 유체가 서로 혼합되어 외부로 공급되더라도, 1차적으로 상기 기수 분리기를 통해 비압축성 유체를 최대한 제거하여 순수한 고압 기체만을 공급할 수 있으며, 설사 일부 비압축성 유체가 고압 기체에 혼합되어 공급되더라도 상기 비압축성 유체를 고압 기체를 사용하는 장치의 내구성에 영향을 미치지 않은 물질로 선정하는 경우, 연료전지 등의 성능 저하나 손상 등의 문제는 발생하지 않는다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 고압기체 충전시스템을 도시한 모식도이다.
본 실시예에 의한 고압기체 충전시스템(20)의 경우, 유체 제공부(301)의 내부 제공라인(330)의 연장 형태를 제외하고는 도 2를 참조하여 설명한 상기 고압기체 충전시스템(10)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
즉, 도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 고압기체 충전시스템(20)에서는, 상기 유체 제공부(301)가 포함하는 상기 내부 제공라인(330)의 끝단부(331)가 상기 충전용기(100)의 저면을 향하도록 연장된다.
도 2를 참조하여 설명한 상기 고압기체 충전시스템(10)에서는, 상기 내부 제공라인(320)의 끝단부(321)가 상기 충전용기(100)의 저면에 접하도록 연장되므로, 상기 충전용기(100)로의 비압축성 유체의 공급은 안정적으로 수행될 수 있다.
다만, 상기 충전용기(100)로부터 상기 비압축성 유체를 제거하는 경우, 특히 제거되어야 할 비압축성 유체의 수위가 매우 낮은 경우 상기 끝단부(321)의 높이에 따라 상기 비압축성 유체가 충분히 제거되지 않고 상기 충전용기(100)의 저면에 잔류할 가능성이 높다.
이에, 도 3에서와 같이, 상기 내부 제공라인(330)의 끝단부(331)를 상기 충전용기(100)의 저면을 향하는 방향으로 연장함으로써, 상기 충전용기(100)로부터 상기 비압축성 유체를 제거하는 경우, 상기 충전용기(100)의 저면에 잔류하는 비압축성 유체의 양을 최소화하며 보다 효과적으로 비압축성 유체를 외부로 제거할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 고압기체 충전시스템을 도시한 모식도이다.
본 실시예에 의한 고압기체 충전시스템(30)의 경우, 충전용기(100)의 자세 및 유체 제공부(302)의 내부 제공라인(340)의 연장 형태를 제외하고는 도 2를 참조하여 설명한 상기 고압기체 충전시스템(10)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 고압기체 충전시스템(30)에서는, 상기 충전용기(100)는 지면에 대하여 소정 각도(θ)로 기울어지도록 위치할 수 있다.
이상과 같이, 상기 충전용기(100)가 소정 각도만큼 기울어지도록 위치한다면, 상기 충전용기(100)로부터 상기 비압축성 유체를 제거하는 경우, 특히 제거되어야 할 비압축성 유체의 수위가 매우 낮은 경우 상기 비압축성 유체는 도 4에서 상기 충전용기(100)의 우측 저면부에 잔류할 가능성이 높다.
이에, 상기 유체 제공부(302)의 내부 제공라인(340)을 상기 충전용기(100)의 우측 저면부를 향하는 방향으로 연장되도록 형성한다면, 상대적으로 상기 내부 제공라인(340)의 길이를 짧게 형성하면서도, 효과적으로 상기 충전용기(100)의 비압축성 유체를 외부로 제거할 수 있다.
그리하여, 최종적으로 상기 충전용기(100)에 잔류하는 비압축성 유체의 양을 최소화할 수 있다.
나아가, 도시하지는 않았으나, 상기 충전용기(100)의 자세를, 상기 비압축성 유체를 외부로 제거하는 경우에만, 도 4에 도시된 바와 같이 소정 각도(θ)로 기울어지도록 위치시킬 수도 있다. 이 경우, 상기 충전용기(100)의 자세를 가변시키기 위한 별도의 가변 구조체(미도시)가 추가로 구비될 수도 있다.
이하에서는, 도 2의 고압기체 충전시스템(10)을 이용한 고압 기체 충전방법에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 도 3의 고압기체 충전시스템(20)을 이용한 고압 기체 충전방법과 도 4의 고압기체 충전시스템(30)을 이용한 고압 기체 충전방법은 실질적으로 도 2의 고압기체 충전시스템(10)을 이용한 고압 기체 충전방법과 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
도 5는 도 2의 고압기체 충전시스템을 이용한 고압 기체 충전방법을 도시한 흐름도이다. 도 6a 내지 도 6d는 도 5의 고압 기체 충전방법에 따른 고압기체 충전시스템의 상태를 도시한 모식도들이다.
우선, 도 5 및 도 6a를 참조하면, 상기 고압 기체 충전방법에서는, 상기 충전용기(100)의 일 측에 연결된 상기 유체 제공부(300)를 통해 상기 충전용기(100)의 내부로 비압축성 유체(305)를 제공한다(단계 S10).
상기 충전용기(100)로 제공되는 비압축성 유체(305)는 상기 충전용기(100)의 하부공간(101)을 향해 제공되는 것으로, 상기 충전용기(100)의 하부공간(101)으로부터 수위가 높아지며 상기 충전용기(100)에 채워진다.
한편, 상기 충전용기(100)의 경우, 예를 들어, 초기상태의 내부 압력이 5bar 정도일 수 있는데, 상기 비압축성 유체(305)가 채워짐에 따라 상기 충전용기(100) 내부의 압력(P1)은 증가하게 된다.
그리하여, 도 5 및 도 6b를 참조하면, 상기 충전용기(100)의 내부의 압력(P1)이 기 설정된 압력, 예를 들어 700bar에 도달하는 거의 여부를 판단하여(단계 S20), 상기 충전용기(100)의 내부의 압력(P1)이 상기 기 설정된 압력에 도달할 때까지 상기 비압축성 유체(305)를 상기 충전용기(100)의 내부로 채운다.
즉, 상기 충전용기(100)에 상기 비압축성 유체(305)가 채워져, 수위가 높아짐에 따라 상기 충전용기(100)의 내부공간(유체가 채워지고 남는 공간)의 압력(P1)은 상승하게 되며, 최종적으로 기 설정된 압력, 예를 들어, 700bar에 도달하는 경우, 상기 비압축성 유체(305)의 공급은 중단된다.
이 과정에서, 상기 수위센서(220) 및 상기 유량센서(240)를 통해 상기 충전용기(100)의 내부로 공급되는 상기 비압축성 유체의 수위나 공급량 등이 센싱되며, 마찬가지로 상기 압력센서(230) 및 상기 온도센서(210)를 통해서는 상기 충전용기(100) 내부의 압력 및 온도를 센싱하게 된다.
한편, 상기 충전용기(100)의 내부의 압력(P1)이 상기 기 설정된 압력에 도달하면, 상기 충전용기(100)에 채워진 상기 비압축성 유체의 압력(Pf) 역시 상기 기 설정된 압력과 동일하게 유지된다.
이 후, 도 5 및 도 6c를 참조하면, 상기 충전용기(100)에 연결되는 상기 고압 기체 충전부(400)를 통해, 상기 충전용기(100)의 내부로 고압기체(405)를 충전한다(단계 S30).
이와 같이, 상기 충전용기(100)의 내부로 고압기체(405)가 충전됨에 따라, 상기 충전용기(100)에 기 채워지던 상기 비압축성 유체(305)는 상기 유체 제공부(300)를 통해 외부로 제거되며, 이에 따라 상기 충전용기(100)의 상기 비압축성 유체(305)의 수위도 낮아지게 된다.
한편, 상기 유체 제공부(300)는, 상기 고압기체(405)의 충전에 따라 상기 비압축성 유체(305)가 외부로 제거될 수 있도록, 개방(open)된 상태로 유지되며, 상기 고압기체(405)의 충전에 따른 압력이 상기 비압축성 유체(305)에 제공되면 상기 고압기체(405)의 충전량과 동일한 양의 비압축성 유체(305)가 압력을 유지한 상태로 외부로 방출될 수 있도록 유체의 유동을 제어하도록 설계된다.
도 1을 참조하여 앞서 설명한 바와 같이, 상기 고압기체(405)는 상기 충전용기(100)의 내부로 충전되는 과정에서 소정의 일(PiVi)을 외부의 고압 기체 공급장치로부터 전달받게 되는데, 본 실시예의 경우, 상기 전달받는 일(PiVi)은 상기 비압축성 유체(305)로 전달되어, 결과적으로 상기 비압축성 유체(305)가 외부로 방출된다.
또한, 상기 비압축성 유체(305)가 상기 유체 제공부(300)의 외부 제공라인(310)을 통해 외부로 방출될 때, 상대적으로 높은 압력(PiV)을 가지게 되므로, 상기 외부 제공라인(310)에 별도의 시스템을 연결하여, 상기 비압축성 유체(305)가 전달하는 일(PiVi)을 활용할 수도 있다.
결국, 도 1에서와 같이, 상기 고압 기체가 충전되는 과정에서 상기 비압축성 유체(305)로 전달되는 일이 상기 충전용기(100)의 내부에 잔류하여 열로 변화하는 문제는 발생하지 않으며, 그대로 방출되어 나가는 상기 비압축성 유체(305)에 전달되어, 상기 비압축성 유체(305)로 전달되는 일이 상기 충전용기(100)의 내부에 열에너지 형태로 잔류하는 문제는 발생하지 않는다.
이에 따라, 본 실시예의 경우, 상기 고압기체(405)의 충전에 따른 상기 충전용기(100) 내부의 열에너지 증가 및 이로 인한 온도 상승의 문제는 발생하지 않는다.
그리하여, 상기 충전용기(100)의 내부로 상기 고압기체(405)가 충전되는 과정에서, 상기 고압기체(405)의 온도는 물론 상기 비압축성 유체(305)의 온도도 일정하게 유지되며, 상기 비압축성 유체(305)만 외부로 제거되어 수위가 감소하게 된다.
또한, 상기 고압기체(405)가 충전되는 과정에서, 상기 충전용기(100) 내부의 고압 기체 충전 압력(P2)은 상기 기 설정된 압력, 예를 들어 700bar가 그대로 유지되며, 마찬가지로 상기 비압축성 유체(305)의 압력(Pf)도 동일하게 유지된다.
이 후, 도 5 및 도 6d를 참조하면, 상기 충전용기(100)의 내부에 고압기체(405)가 완전히 충전되었는가를 판단하여(단계 S40), 상기 충전용기(100)의 내부에 고압기체(405)가 완전히 충전되고 상기 비압축성 유체(305)가 외부로 충분히 제거될 때까지 상기 고압기체(405)의 충전은 계속된다.
그리하여, 상기 충전용기(100)의 내부에는 상부공간(102)은 물론 하부공간(101)에도, 상기 고압기체(405)가 모두 충전되며, 상기 비압축성 유체(305)는 충분히 외부로 제거된다. 이 때, 상기 비압축성 유체(305)가 외부로 충분히 제거되면 상기 유체 제공부(300)는 차단(close)되어 비압축성 유체의 유동을 차단한다.
이 경우, 상기 충전용기(100)의 내부에 충전되는 고압기체(405)의 압력(P3)은 기 설정된 압력과 동일하게 유지됨은 자명하다.
물론, 상기 충전용기(100)의 내부에 상기 비압축성 유체(305)가 일부 잔류할 수는 있으며, 외부로 공급되는 고압 기체에 혼합될 수는 있으나, 문제가 발생하지 않음은 앞서 설명한 바와 같다.
이 후, 필요에 따라, 상기 충전용기(100)에 충전된 고압기체(405)는 앞서 설명한 바와 같이 밸브의 동작을 통해 상기 고압 기체 충전부(400)를 통해 고압 기체를 에너지원으로 사용하는 차량 등으로 공급될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 고압 기체 충전시스템을 도시한 모식도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 의한 고압 기체 충전시스템(40)은 압축기(1100), 기체 공급용기(1200), 유체 저장용기(1300), 충전용기(1400) 및 배관부(1500)를 포함한다.
한편, 상기 배관부(1500)는 제1 내지 제3 배관들(1510, 1520, 1530)을 포함하며, 상기 제1 내지 제3 배관들(1510, 1520, 1530) 상에는 제1 내지 제2 밸브들(1511, 1521, 1531)이 구비되어, 각 배관들의 개방(ON) 또는 폐쇄(OFF)를 제어한다.
상기 압축기(1100)는 상기 기체 공급용기(1200)에 압축라인(1101)을 통해 연결되며, 상기 기체 공급용기(1200)에 저장되는 고압 기체(405)를 압축시켜 압력을 높인다.
따라서, 이렇게 상기 고압 기체(405)의 압력이 향상되면, 상기 기체 공급용기(1200)에 저장되는 상기 고압 기체(405)는 높은 압력에 의해 상기 유체 저장용기(1300)로 제공될 수 있다.
상기 기체 공급용기(1200)는 소정의 챔버 형상을 가질 수 있으며, 챔버의 용량이나 구조가 제한되지는 않는다. 초기 상태에서, 상기 기체 공급용기(1200)에는 상기 고압 기체(405)가 내부 공간(1201) 상에 저장된다.
이 경우, 상기 고압 기체(405)는 예를 들어 기체 수소일 수 있음은 앞서 설명한 바와 같으나, 이에 제한되지 않음은 자명하다.
상기 기체 공급용기(1200)는 상기 유체 저장용기(1300)와 상기 제1 배관(1510)을 통해 연결되며, 상기 제1 배관(1510) 상에 구비된 제1 밸브(1511)를 통해 상기 제1 배관(1510)을 통한 상기 고압 기체(405)의 유동이 제어된다.
한편, 상기 제1 배관(1510)은 상기 기체 공급용기(1200)의 하부와 상기 유체 저장용기(1300)의 상부 사이에서 연결되는 것으로, 상대적으로 상기 기체 공급용기(1200)의 하부는 상기 유체 저장용기(1300)의 상부보다 제1 높이(h1)만큼 높은 위치에 위치한다.
이 경우, 상기 기체 공급용기(1200)에 저장된 고압 기체(405)는 스스로의 높은 압력에 의해 상기 유체 저장용기(1300)로 제공될 수 있으며, 상기 제1 높이(h1) 만큼의 높은 위치에 의해, 상기 비압축성 유체(305)의 역류를 방지할 수 있다.
다만, 상기 기체 공급용기(1200)는 반드시 상기 제1 높이(h1) 만큼 상기 유체 저장용기(1300)보다 높은 위치에 위치하여야 하는 것으로 제한되지는 않으며, 상기 고압 기체(405)가 가지는 고압에 의해 상기 고압 기체(405)는 상기 제1 배관(1510)을 통해 상기 유체 저장용기(1300)로 효과적으로 공급될 수 있다.
상기 유체 저장용기(1300)는 상기 기체 공급용기(1200)와 마찬가지로 소정의 챔버 형상을 가질 수 있으며, 챔버의 용량이나 구조가 제한되지는 않는다. 초기 상태에서, 상기 유체 저장용기(1300) 내부의 내부공간(1301)에는 비압축성 유체(305)가 저장되며, 이 경우, 상기 비압축성 유체(305)는 마찬가지로 앞서 설명한 바와 같이 예를 들어, 물(water)일 수 있다.
상기 유체 저장용기(1300)는 일 측으로는 상기 기체 공급용기(1200)와 제1 배관(1510)을 통해 연결되며, 타 측으로는 상기 충전용기(1400)와 제2 배관(1520) 및 제3 배관(1530)을 통해 연결된다.
이 경우, 상기 제1 배관(1510)은 상기 유체 저장용기(1300)의 상부를 통해 연결될 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 제2 배관(1520) 역시, 일 끝단은 상기 유체 저장용기(1300)의 상부(1302)와 연결된다.
즉, 상기 유체 저장용기(1300)의 상부(1302)는 상기 제2 배관(1520)과 연결되며, 상기 제2 배관(1520)의 타 끝단은 상기 충전용기(1400)의 상부(1402)와 연결된다.
상기 비압축성 유체(305) 및 상기 고압 기체(405)의 온도 제어를 위하여 상기 유체 저장용기(1300) 내부에 냉각장치, 가열장치 또는 열교환기와 같은 온도 제어 장치(1310)가 추가될 수 있다.
즉, 상기 유체 저장용기(1300)로 고압기체(405)가 주입됨에 따라, 상기 유체 저장용기(1300)의 내부에서 기체의 압축에 의한 온도 상승이 야기될 수 있으나, 상기 온도 제어장치(1310)를 통해 이러한 온도 상승이 제어될 수 있다.
또한, 상기 제2 배관(1520)을 통하여 상기 충전용기(1400)로 공급되는 상기 고압 기체(405)의 온도 제어를 위하여 상기 제2 배관(1520)에 냉각장치, 가열장치 또는 열교환기와 같은 온도 제어 장치(1320)도 추가될 수 있다.
도면을 통해서는 상기 제2 배관(1520)의 타 끝단이 상기 충전용기(1400)의 상부(1402)에 연결되는 것을 예시하였으나, 상기 충전용기(1400)에의 연결 위치는 다양하게 가변될 수 있다.
특히, 상기 충전용기(1400)는, 후술되는 도 10a 및 도 10b에서와 같이, 실제 모빌리티용 충전용기로 직접 사용될 수도 있는 것이므로, 다양한 형상을 가질 수 있고, 이에 상기 제2 배관(1520)의 타 끝단이 연결되는 위치는 상기 충전용기(1400)의 형상을 고려하여 다양하게 가변될 수 있다.
또한, 상기 유체 저장용기(1300)의 하부(1303)는 상기 제3 배관(1530)의 일 끝단과 연결되며, 상기 제3 배관(1530)의 타 끝단은 상기 충전용기(1400)의 하부(1403)와 연결된다.
마찬가지로, 도면을 통해서는 상기 제3 배관(1530)의 타 끝단이 상기 충전용기(1400)의 하부(1403)에 연결되는 것을 예시하였으나, 상기 충전용기(1400)에의 연결 위치는 다양하게 가변될 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
즉, 상기 충전용기(1400)는 다양한 형상을 가질 수 있고, 이에 상기 제3 배관(1530)의 타 끝단이 연결되는 위치는 상기 충전용기(1400)의 형상을 고려하여 다양하게 가변될 수 있다.
예를 들어, 후술되는 도 10b에서와 같이, 상기 제2 배관(1520) 및 상기 제3 배관(1530)이 모두 상기 충전용기(1400)의 측부를 통해 연결될 수 있다.
이 경우, 상기 제2 배관(1520) 및 제3 배관(1530) 상에는 각각 제2 밸브(1521) 및 제3 밸브(1531)가 구비되어, 상기 유체 저장용기(1300)와 상기 충전용기(1400) 사이의 유동을 개방(ON) 또는 폐쇄(OFF)한다.
상기 충전용기(1400)는 앞서 설명한 바와 같이, 상부(1402)는 상기 제2 배관(1520)을 통해 상기 유체 저장용기(1300)의 상부(1302)와 연결되고, 하부(1403)는 상기 제3 배관(1530)을 통해 상기 유체 저장용기(1300)의 하부(1303)와 연결된다.
상기 충전용기(1400)에는 초기 상태에서는 비압축성 유체(305)는 충전되지 않은 상태이며, 고압 기체(405) 역시 충전되지 않거나, 고압 기체(405)의 일부가 잔류하여 정격 충전 압력보다 낮은 압력을 유지하는 상태이다.
또한, 상기 충전용기(1400)도 소정의 챔버 형상을 가질 수 있으며, 챔버의 용량이나 구조가 제한되지는 않는다.
한편, 상기 충전용기(1400)의 하부는 상기 유체 저장용기(1300)의 상부 보다 제2 높이(h2) 만큼 높은 위치에 위치한다. 그리하여, 후술되는 바와 같이, 상기 충전용기(1400)에 저장된 비압축성 유체(305)는 중력에 의해 발생하는 정수력압을 통해 상기 유체 저장용기(1300)로 제공될 수 있다.
이 경우, 상기 제2 높이(h2)는 다양하게 설계될 수 있음은 자명하다.
상기 충전용기(1400)의 경우, 상세히 도시하지는 않았으나, 상기 충전용기(1400)의 내부에 상기 고압 기체(405)가 충전 완료되면, 상기 고압기체 충전시스템(40)으로부터 탈착될 수 있다.
그리하여, 상기 충전용기(1400)는 내부에 고압 기체(405)가 충전된 상태로, 도시하지는 않았으나 별도의 모빌리티(mobility)에 직접 장착되거나, 상기 모빌리티에 고압 기체를 제공하는 별도의 유닛과 연결될 수 있다.
나아가, 상기 충전용기(1400)는 내부에 충전된 고압 기체가 별도의 모빌리티로 공급되어 소진되는 경우, 상기 고압기체 충전 시스템(40)에 다시 연결되어, 상기 고압 기체(405)의 재충전이 수행될 수 있다.
이하에서는, 상기 고압 기체 충전시스템(40)을 이용한 고압 기체 충전방법을 보다 상세히 설명한다.
도 8은 도 7의 고압 기체 충전시스템을 이용한 고압 기체 충전방법을 도시한 흐름도이다. 도 9a 내지 도 9d는 도 8의 고압 기체 충전방법의 각 단계를 예시한 모식도들이다.
우선, 앞서 설명한 바와 같이, 초기 상태에서, 상기 기체 공급용기(1200)의 내부공간(1201)에는 고압 기체(405)가 충전 및 저장되며, 상기 유체 저장용기(1300)의 내부공간(1301)에는 비압축성 유체(305)가 저장된다.
상기 충전용기(1400)는 예를 들어, 모빌리티(mobility) 등에 장착되어 상기 고압기체(405)를 저장하는 연료탱크 등으로 가정할 수 있으며, 충전이 필요한 상태이기 때문에 내부 압력이 낮다고 가정할 수 있다.
도 8 및 도 9a를 참조하면, 상기 고압 기체 충전방법에서는, 상기 제1 밸브(1511) 및 상기 제3 밸브(1531)가 개방(ON)되도록 밸브가 제어된다(단계 S100). 이 경우, 상기 제2 밸브(1521)는 폐쇄(OFF)된 상태로 유지된다.
그리하여, 상기 기체 공급용기(1200)에 저장된 고압 기체(405)는 상기 제1 밸브(1510)를 통해 상기 유체 저장용기(1300)의 내부공간(1301)으로 주입된다(단계 S200). 이 경우, 상기 고압 기체(405)는 상기 압축기(1100)에 의해 압력이 증가한 상태로서, 상기 제1 밸브(1511)의 개방에 따라 상기 유체 저장용기(1300)로 자연스럽게 주입될 수 있다.
도 8, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 상기 제1 배관(1510)을 통해 상기 고압 기체(405)가 상기 유체 저장용기(1300)로 주입됨에 따라, 상기 유체 저장용기(1300)에 저장되는 상기 비압축성 유체(305)는 상기 제3 배관(1530)을 통해 상기 충전용기(1400)로 제공된다(단계 S300).
즉, 상기 유체 저장용기(1300)에 저장된 상기 비압축성 유체(305)는, 상기 고압 기체(405)의 주입에 따라 압력을 받으며 밀려나게 되고, 상기 제2 밸브(1521)는 폐쇄된 상태이므로, 도 9b와 같이 개방된 상태의 상기 제1 밸브(1531)를 통해 상기 충전용기(1400)로 제공된다.
이러한 단계는, 상기 충전용기(1400)에 사용자가 원하는 만큼의 상기 비압축성 유체(305)가 주입될 때 까지 수행될 수 있다.
이 경우, 상기 충전용기(1400) 내부에 남아있던 상기 고압 기체(405)와 동일한 기체의 압력은 상승하게 되는데, 상기 기체의 압력은 상기 충전용기(1400)의 충전압력을 초과하지 않도록 제어될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 유체 저장용기(1300)로 고압기체(405)가 주입됨에 따라, 상기 유체 저장용기(1300)의 내부에서 기체의 압축에 의한 온도 상승이 야기될 수 있으나, 상기 온도 제어장치(1310)를 통해 이러한 온도 상승이 제어될 수 있다.
이 후, 도 8 및 도 9c를 참조하면, 상기 제1 밸브(1511)는 폐쇄(OFF)되고, 상기 제2 밸브(1521)는 개방(ON)되도록 밸브가 제어된다(단계 S400).
이상과 같이, 상기 제1 밸브(1511)가 폐쇄되면, 상기 고압 기체(405)는 더 이상 상기 유체 저장용기(1300)로 공급되지 않으며, 상기 유체 저장용기(1300)와 상기 충전용기(1400) 사이에서만 유동이 수행된다.
또한, 상기 유체 저장용기(1300)와 상기 충전용기(1400) 사이에 위치한 상기 제2 밸브(1521)와 상기 제3 밸브(1531)가 개방(ON)됨으로 상기 유체 저장용기(1300)와 상기 충전용기(1400) 내부에 작용하는 압력은 중력에 의해 발생하는 정수력압을 제외하면 동일한 크기를 가지게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 충전용기(1400)는 상기 유체 저장용기(1300)보다 제2 높이(h2) 만큼 높은 위치에 위치하므로, 상기 충전용기(1400)에 저장되는 비압축성 유체(305)에 의해 발생하는 정수력압 1은 상기 유체 저장용기(1300) 내부에 남아있는 비압축성 유체(305)에 의해 발생하는 정수력압 2보다 언제나 높은 값을 가지게 됨이 자명하다.
즉, 도 9c에서와 같이, 상기 제3 배관(1530)의 가장 아래 지점에서 상기 정수력압 1은 ρ*g*h4로 정의되고, 상기 정수력압 2는 ρ*g*h3로 정의되는데, h4>h3이므로 상기 정수력압 1이 상기 정수력압 2보다 항상 크다. 이 경우, ρ는 비압축성 유체의 밀도, g는 중력가속도이다.
따라서, 도 8 및 도 9c와 같이, 상기 고압 기체(405)의 공급에 따라 상기 충전용기(1400)로 밀려났던 비압축성 유체(305)는, 중력에 의한 정수력압 차이에 의해 상기 제3 배관(1530)을 통하여 상기 유체 저장용기(1300)로 다시 제공된다(단계 S500).
이 때, 상기 제2 높이(h2)는 상기 비압축성 유체(305)에 작용하는 중력에 의해 발생하는 정수력압의 차이를 충분히 확보하기 위해 적절히 설계될 수 있다.
즉, 상기 비압축성 유체(305)는 별도의 구동 수단이나 압력 제공 수단과 같은 부수 유닛이 구비되지 않아도, 중력에 의해 발생하는 정수력압을 통해 상기 유체 저장용기(1300)로 다시 제공될 수 있다.
이와 동시에, 도 8 및 도 9c를 참조하면, 상기 유체 저장용기(1300)에 저장되었던 상기 고압 기체(405)는 상기 비압축성 유체(305)가 상기 유체 저장용기(1300)로 다시 제공됨에 따라, 외부로 유출되는데, 이 경우, 상기 제2 밸브(1521)가 개방되므로, 상기 고압 기체(405)는 상기 제2 배관(1520)을 통해 상기 충전용기(1400)로 제공된다(단계 S600).
즉, 상기 유체 저장용기(1300)에 저장된 상기 고압 기체(405)가 자연스럽게 상기 충전용기(1400)에 충전된다.
필요에 따라, 상기 유체 저장용기(1300)에 저장된 상기 고압 기체(405)가 상기 충전용기(1400)로 충전될 때, 상기 제2 배관(1520)에 추가되는 상기 온도 제어장치(1320)를 통해 상기 고압 기체(405)의 온도가 제어될 수 있다.
이상과 같이, 상기 충전용기(1400)에서는, 1차적으로 비압축성 유체(305)가 채워진 상태에서, 상기 비압축성 유체(305)가 토출되는 만큼 상기 고압 기체(405)가 충전된다.
이에, 종래 기술에서, 상기 충전 용기에 단순히 고압 기체만 충전됨에 따라 상기 고압 기체가 수행하는 일이 열로 변환되어 상기 충전용기의 내부 온도가 증가하는 문제가 해결된다. 즉, 상기 충전 용기에 충전되는 고압 기체는 상기 비압축성 유체를 외부로 토출시키는 일을 수행하므로, 별도로 열로 변환되지 않고 소모되므로, 상기 충전용기의 내부 온도는 유지된다.
따라서, 상기 충전용기(1400)의 내부온도 변화가 최소화되면서 상기 충전용기(1400)에 상기 고압 기체(405)가 충전되므로, 충전이 보다 안정적이고 효과적으로 수행된다.
한편, 이상과 같이 상기 충전용기(1400)에 상기 고압 기체(405)가 모두 충전되면, 도 8 및 도 9d에서와 같이, 상기 제2 및 제3 밸브들(1521, 1531)을 모두 폐쇄(OFF)하도록 밸브를 제어한다(단계 S700).
이 후, 상기 충전용기(1400)는 상기 고압기체 충전시스템(40)으로부터 탈착되어, 별도의 모빌리티 등에 사용된다(단계 S800).
물론, 상기 충전용기(1400)는 탈착되지 않은 상태에서, 외부의 모빌리티 등이 상기 충전용기(1400)에 직접 연결되어 상기 고압기체가 소모될 수도 있다.
그러나, 사용의 편의성을 고려하여 상기 충전용기(1400)는 상기 고압기체 충전시스템(40)으로부터 탈착될 수도 있다.
도 10a는 도 8의 고압 기체 충전방법에서, 충전용기의 고압 기체를 사용하는 상태를 도시한 일 예이고, 도 10b는 상기 충전용기의 고압 기체를 사용하는 상태를 도시한 다른 예이다.
즉, 도 10a에서와 같이, 상기 충전용기(1400)는 상기 제2 배관(1520)의 일부 및 상기 제3 배관(1530)의 일부와 함께 상기 고압기체 충전시스템(40)으로부터 탈착될 수 있다. 이에, 상기 제2 및 제3 배관들(1520, 1530)은, 도시하지는 않았으나, 별도의 외부의 모빌리티(mobility)에 직접 연결되거나, 기타 고압 기체를 사용하는 장치에 연결될 수 있다.
나아가, 상기 충전용기(1400)는 그 자체가 외부의 모빌리티에 내장되는 충전용기일 수도 있다. 이 경우, 상기 충전용기(1400)는 별도로 탈착되지 않고, 상기 충전용기(1400) 자체가 모빌리티에 장착되는 형태로 위치하여, 배관들이 상기 충전용기(1400)에 연결되는 형태로 충전이 수행될 수 있다.
이 경우, 도 10b에서와 같이, 상기 충전용기(1400)에 연결되는 제2 배관(1525) 및 제3 배관(1535)이 상기 충전용기(1400)의 상부 및 하부가 아닌, 측부에 서로 인접하도록 배치될 수 있다.
이에, 상기 충전용기(1400)가 상기 제2 배관(1525)의 일부 및 상기 제3 배관(1535)의 일부와 함께 상기 고압기체 충전시스템(40)으로부터 탈착될 수 있다.
이상과 같이, 상기 충전용기(1400)의 측부에 상기 제2 및 제3 배관들(1525, 1535)이 연결된 상태에서, 외부로 탈거된다면, 별도의 모빌리티에 직접 연결되는 경우 그 편의성이 향상될 수 있다.
특히, 도시된 바와 같이, 모빌리티로부터 연장되는 충전 단말기(1600)가 상기 유체 제공부(300) 및 상기 고압 기체 충전부(400)를 결합한 형상을 가지는 경우, 상기 충전 단말기(1600)의 일 측에 형성되는 제1 및 제2 충전배관들(1610, 1620)과 상기 제2 및 제3 배관들(1525, 1535)이 보다 용이하게 서로 연결될 수 있다.
한편, 상기 충전용기(1400)가 상기 고압기체 충전시스템(40)으로부터 탈착되어, 내부에 충전된 고압 기체가 모두 사용된다면, 상기 충전용기(1400)는 상기 고압기체 충전시스템(40)으로 다시 연결될 수 있으며, 앞서 설명한 단계를 통해 고압기체는 재충전될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 충전용기에 비압축성 유체를 선행적으로 제공하여, 충전용기에 비압축성 유체가 제공되고 남은 공간의 압력이 고압 기체를 충전하기에 적합한 기 설정된 압력으로 유지되는 경우, 비로소 충전용기에 고압기체를 충전하기 시작하며, 나아가, 고압 기체의 충전과 함께 채워져 있던 비압축성 유체를 외부로 제거하므로, 상기 고압 기체의 충전과정에서 상기 충전용기의 내부 압력은 기 설정된 압력으로 계속 유지될 수 있다.
또한, 상기 충전용기의 내부 압력은 상기 충전용기에 고압 기체가 완전히 충전되고 비압축성 유체가 외부로 충분히 제거될 때까지 일정하게 유지될 수 있다.
이상과 같이 상기 충전용기의 내부 압력이 고압 기체 충전에 적합한 기 설정된 압력으로 유지되므로, 고압 기체의 충전과정에서 고압 기체의 압축현상이 발생하지 않아, 충전용기의 내부 온도 상승을 방지하기 위한 별도의 고압 기체 냉각장치 등을 생략할 수 있다.
특히, 고압 기체의 충전과정에서 압력 변화가 발생하지 않으므로, 충전되는 고압 기체의 온도를 필요로 하는 온도로 유지하여 충전을 수행할 수 있으며, 이 경우, 비압축성 유체의 온도 역시 상기 고압 기체의 온도와 동일하거나 더 낮게 유지되어 제공되므로, 고압 기체의 온도 제어 또는 냉각 등을 위한 별도의 냉각장치나 온도 제어장치 없이 충전용기 온도를 낮게 유지할 수 있다.
나아가, 충전되는 고압 기체의 온도와 상기 비압축성 유체의 온도를 낮춤으로써, 고압 기체 공급압력을 낮추는 효과를 가져올 수 있다.
특히, 상기 비압축성 유체를 고압 기체를 사용하는 장치의 내구성에 영향을 미치지 않는 물질로 선정하는 경우, 상기 비압축성 유체가 충전용기로부터 충분히 제거되지 못하고 잔류한다 하더라도, 고압 기체를 연료로 사용하는 차량에 고압 기체와 함께 잔류된 비압축성 유체가 제공되어도 전혀 문제가 발생하지 않으므로, 상기 비압축성 유체를 완벽하게 제거하여야 하는 설계의 어려움도 발생하지 않는다.
또한, 비압축성 유체가 혼합되는 것을 방지하기 위해, 고압 기체 유출부에 기수 분리기를 구비시킬 수 있으므로, 비압축성 유체와 고압 기체의 혼합으로 인한 문제를 방지할 수 있다.
또한, 충전 용기로 고압 기체를 충전하는 과정에서, 압축기를 통해 고압 기체의 압력을 높여 비압축성 유체가 저장된 유체 저장용기로만 제공해 주는 것으로, 별도의 비압축성 유체 공급 설비를 생략하면서 간단하고 용이하게 충전을 수행할 수 있다.
즉, 상기 고압기체 충전시스템의 배관 구성 및 밸브의 ON/OFF 제어만을 통해, 별도의 비압축성 유체 공급 설비를 생략하면서도, 충전 용기에 비압축성 유체를 주입 및 회수하는 효과를 얻어 고압 기체로서 수소 기체를 효과적으로 충전할 수 있다.
특히, 충전 용기에 고압 기체만을 바로 충전하는 경우, 충전과정에서 발생되는 열에 의해 충전용기 내부의 온도가 상승하는 문제가 야기되는데, 상기 충전 용기에는 비압축성 유체를 선 제공한 상태에서, 비압축성 유체를 외부로 토출시키며 상기 고압 기체를 충전하게 되므로, 충전과정에서 충전용기 내부에서 발생되는 열을 최소화할 수 있어 보다 효과적이고 안정적인 고압 기체의 충전이 가능하다.
이 경우, 상기 비압축성 유체의 외부 토출이, 별도의 가압부 등의 설비를 통해 수행되지 않고, 중력에 의해 발생하는 정수력압을 통하여 수행되므로 별도의 설비를 최소화하며 안정적인 충전과 충전 속도 향상이 가능할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 고압기체가 충전되는 충전용기;
    상기 충전용기의 일측에 연결되어, 상기 고압기체의 충전 전에 상기 충전용기의 내부로 비압축성 유체를 제공하는 유체 제공부; 및
    상기 충전용기의 타측에 연결되어, 상기 비압축성 유체가 제공된 상기 충전용기의 내부로 상기 고압기체를 충전하는 고압 기체 충전부를 포함하며,
    상기 비압축성 유체는, 상기 충전용기의 내부 압력이 기 설정된 압력에 도달할 때까지 제공되며, 상기 고압기체가 충전됨에 따라 상기 유체 제공부를 통해 외부로 제거되는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고압기체가 충전됨에 따라 상기 충전용기에 충전되는 고압기체의 압력 및 상기 충전용기에 잔류하는 비압축성 유체의 압력은 모두 상기 기 설정된 압력을 유지하는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전용기에 미리 제공되는 비압축성 유체의 온도는 상기 충전용기에 충전되는 고압기체의 온도와 동일하거나 더 낮은 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유체 제공부는,
    외부로부터 상기 비압축성 유체를 제공받는 외부 제공라인; 및
    상기 외부 제공라인에 연결되어 상기 충전용기의 하부공간으로 연장되는 내부 제공라인을 포함하고,
    상기 내부 제공라인은, 끝단부가 상기 충전용기의 저면에 접하도록 연장되거나, 상기 충전용기의 저면을 향하도록 연장되는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충전용기는 지면에 대하여 소정 각도 기울어지도록 배치되며,
    상기 내부 제공라인은 상기 기울어진 충전용기의 저면을 향하도록 연장되는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 고압 기체 충전부는,
    외부로부터 상기 고압기체를 제공받는 외부 충전라인; 및
    상기 외부 충전라인에 연결되어 상기 충전용기의 상부공간으로 연장되는 상부 제공라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고압 기체 충전부는, 밸브의 동작을 통해 상기 충전용기에 충전된 고압기체를 외부로 공급하며,
    상기 고압 기체 충전부 상에는, 상기 고압기체에 포함되는 비압축성 유체를 제거하는 기수 분리기가 구비되는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  8. 충전용기의 일측에 연결된 유체 제공부를 통해 상기 충전용기의 내부로 비압축성 유체를 제공하는 단계;
    상기 충전용기의 압력이 기 설정된 압력에 도달하는 가의 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 충전용기의 압력이 기 설정된 압력에 도달되는 경우, 상기 충전용기의 타측에 연결되는 고압 기체 충전부를 통해 상기 충전용기의 내부로 고압기체를 충전하고, 상기 고압기체가 충전됨에 따라 상기 비압축성 유체를 상기 유체 제공부를 통해 외부로 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 충전용기의 내부로 고압기체가 완충될 때까지, 상기 고압기체를 충전시키며 상기 비압축성 유체를 외부로 제거하는 것을 특징으로 하는 고압 기체 충전방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 고압기체를 충전시키고 상기 비압축성 유체를 외부로 제거하는 단계에서,
    상기 충전용기에 충전되는 고압기체의 압력과 상기 충전용기에 잔류하는 비압축성 유체의 압력은 모두 상기 기 설정된 압력을 유지하는 것을 특징으로 하는 고압 기체 충전방법.
  10. 고압 기체가 저장되는 기체 공급용기;
    상기 기체 공급용기와 연결되며, 비압축성 유체가 저장되는 유체 저장용기; 및
    상기 유체 저장용기의 상부 및 하부와 각각 연결되며, 상기 고압 기체가 충전되는 충전 용기를 포함하고,
    상기 기체 공급용기에 저장된 고압 기체가 상기 유체 저장용기로 제공됨에 따라, 상기 유체 저장용기에 저장된 비압축성 유체는 상기 충전용기로 제공되고,
    상기 충전용기로 제공된 비압축성 유체가 상기 유체 저장용기로 다시 제공되면서 상기 유체 저장용기의 고압 기체가 상기 충전용기로 충전되는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 충전 용기가 상기 유체 저장용기보다 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 충전용기의 비압축성 유체는 중력에 의해 발생하는 정수력압에 의해 상기 유체 저장용기로 다시 제공되는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 유체 저장용기로 제공되는 고압 기체 및 상기 유체 저장용기로 제공되는 비압축성 유체의 온도가 기 설정된 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 기체 공급용기와 상기 유체 저장용기 사이에 연결되며, 제1 밸브가 구비되는 제1 배관;
    상기 유체 저장용기의 상부와 상기 충전용기 사이에 연결되며, 제2 밸브가 구비되는 제2 배관; 및
    상기 유체 저장용기의 하부와 상기 충전용기 사이에 연결되며, 제3 밸브가 구비되는 제3 배관을 더 포함하는 고압기체 충전시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 밸브 및 상기 제3 밸브가 개방(ON)되고 상기 제2 밸브가 폐쇄(OFF)된 상태에서,
    상기 기체 공급용기에 저장된 고압 기체가 상기 제1 배관을 따라 상기 유체 저장용기로 제공되고, 상기 유체 저장용기에 저장된 비압축성 유체가 상기 제3 배관을 따라 상기 충전용기로 제공되는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 밸브가 폐쇄되고(OFF), 상기 제2 밸브 및 상기 제3 밸브가 개방(ON)된 상태에서,
    상기 충전용기로 제공된 비압축성 유체가 상기 제3 배관을 따라 상기 유체 저장용기로 다시 제공되면서 상기 유체 저장용기의 고압 기체가 상기 제2 배관을 따라 상기 충전용기로 충전되는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 고압 기체가 충전된 상기 충전 용기는, 외부 모빌리티에 내장되거나, 탈착되어 외부 모빌리티에 장착되거나, 외부 모빌리티로부터 연장되는 충전단말기에 연결되는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전시스템.
  18. 기체 공급용기로부터 유체 저장용기로 고압 기체를 주입하는 단계;
    상기 유체 저장용기로 고압 기체가 주입됨에 따라, 상기 유체 저장용기에 저장된 비압축성 유체가 충전용기로 제공되는 단계;
    상기 유체 저장용기로 고압 기체의 주입이 완료된 상태에서, 상기 충전용기로부터 상기 유체 저장용기로 비압축성 유체가 다시 제공되는 단계; 및
    상기 유체 저장용기로 비압축성 유체가 제공됨에 따라, 상기 유체 저장용기에 주입된 고압 기체는 상기 충전용기로 충전되는 단계를 포함하는 고압기체 충전방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 유체 저장용기로 비압축성 유체가 다시 제공되는 단계에서,
    상기 충전용기의 비압축성 유체는 중력에 의해 발생하는 정수력압에 의해 상기 유체 저장용기로 제공되는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 유체 저장용기로 고압 기체를 주입하는 단계에서는, 상기 기체 공급용기와 상기 유체 저장용기 사이에 연결되는 제1 밸브를 개방하고, 압축기를 통해 상기 고압기체의 압력을 증가시켜, 상기 기체 공급용기에 저장된 고압 기체를 상기 유체 저장용기로 제공하고,
    상기 유체 저장용기에 저장된 비압축성 유체가 상기 충전용기로 제공되는 단계에서는, 상기 유체 저장용기의 상부와 상기 충전용기의 상부 사이에서 연결되는 제2 밸브는 폐쇄하고, 상기 유체 저장용기의 하부와 상기 충전용기의 하부 사이에서 연결되는 제3 밸브는 개방하여, 상기 유체 저장용기로 고압 기체가 제공되는 압력에 의해, 상기 비압축성 유체는 상기 충전용기로 제공되고,
    상기 유체 저장용기로 비압축성 유체가 다시 제공되고, 상기 고압 기체가 상기 충전용기로 충전되는 단계에서는, 상기 제1 밸브는 폐쇄하고, 상기 제2 밸브는 개방하여, 상기 비압축성 유체는 상기 충전용기의 하부로부터 상기 유체 저장용기의 하부를 통해 상기 유체 저장용기로 채워지고, 이에 따라 상기 고압 기체는 상기 유체 저장용기의 상부로부터 상기 충전용기의 상부를 통해 상기 충전용기로 충전되는 것을 특징으로 하는 고압기체 충전방법.
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